흔히 "실리콘"이라고도 불리는 실리콘 첨가제는 기본적인 기초 화학을 이해하지 않고도 사용할 수 있습니다. 그러나 실리콘의 화학적 성질에 대한 몇 가지 기본 원리를 개괄적으로 이해하는 것이 도움이 됩니다. 이렇게 하면 실리콘 첨가제를 이해하고 특성화하는 방법을 쉽게 배울 수 있습니다.
또한 구조적 특징과 결과적 특성 간의 관계를 더 쉽게 이해할 수 있습니다.
모든 실리콘 첨가제는 폴리디메틸실록산의 기본 구조에서 파생됩니다(그림 참조).
사슬 길이에 따라 매우 다른 특성을 가진 제품이 만들어집니다. 짧은 사슬의 실리콘은 도료 시스템에서 비교적 상용성이 높고 낮은 표면 장력과 같은 일반적인 실리콘 특성을 갖지만, 긴 사슬의 분자는 비상용성이 매우 높고 매우 명확한 크레이터(해머톤 효과)을 유발합니다. 따라서 순수 폴리디메틸실록산(실리콘 오일)은 현대 페인트에 거의 사용되지 않습니다.
사슬 길이를 통해 상용성을 제어하는 것보다 더 우아한 방법은 측쇄를 추가하여 실리콘 기본 구조를 변형시키는 것입니다.
오늘날 도료에 사용되는 대부분의 실리콘 첨가제는 이러한 "유기적 변형 폴리실록산"입니다. 대부분의 경우, 이러한 변형에는 폴리에테르 사슬(그림 참조)이 포함되어 상용성을 향상시킵니다. 상용성의 정도는 이러한 측쇄의 수(즉, 디메틸실록산 단위와 폴리에테르 변형의 비율(x;y)에 의해 제어될 수 있습니다. 동시에 이것은 표면 장력에도 영향을 미칩니다. 일반적으로 디메틸실록산 단위가 많을수록 표면 장력이 낮아집니다. 또한 폴리에테르 사슬 자체의 구조도 다양할 수 있는데, 여기서 핵심적인 요소는 극성입니다.
폴리에테르는 에틸렌 옥사이드 단위(EO) 및/또는 프로필렌 옥사이드 단위(PO)로 구성됩니다. 폴리에틸렌 옥사이드는 매우 친수성(극성)인 반면, 폴리프로필렌 옥사이드는 오히려 소수성(비극성)입니다.
따라서 전체 실리콘 첨가제의 극성은 EO/PO 비율을 통해 제어할 수 있습니다. EO의 비율이 높을수록 극성이 증가하고 첨가제는 수용성이며 극성 도료 시스템에 더 적합합니다. 그러나 동시에 기포 안정화 경향이 증가합니다. 반면에 PO의 비율이 높을수록 수용성과 발포 경향이 모두 감소합니다.
"실리콘 매크로머"(그림 참조)의 합성에서 실리콘 블록의 사슬 길이는 "유기적 변형 폴리실록산"에 비해 매우 정밀하게 조정할 수 있습니다. 예를 들어 아미노기, 메타크릴기, 비닐기 또는 수산기 등의 작용기를 사용하여 이러한 특수 성분을 추가로 변환하여 정의된 구조를 가진 활성 물질로 만들 수 있습니다. 이렇게 만들어진 첨가제는 맞춤형 특성을 갖습니다.
실리콘 구조를 변경하는 또 다른 방법은 디메틸 구조의 두 메틸기 중 하나를 더 긴 알킬 사슬로 대체하여 폴리메틸알킬실록산을 생성하는 것입니다(그림 참조). 폴리디메틸실록산에 비해 이러한 제품은 표면 장력이 더 높고 표면 슬립에 미치는 영향이 적습니다. 이러한 실리콘은 소포제의 활성 물질로 자주 사용됩니다. 폴리디메틸실록산과 마찬가지로 폴리메틸알킬실록산도 폴리에테르 사슬로 유기적으로 변형될 수 있습니다. 이러한 실리콘 첨가제는 일반적인 실리콘 특성 외에도 약간의 소포 특성을 나타냅니다.
폴리에테르 변형 폴리실록산은 약 150°C까지 열적으로 안정하며, 폴리에테르 사슬은 더 높은 온도에서 분해됩니다. 폴리에스테르 및 아랄킬기(그림 참조)와 같은 비폴리에테르 구조 요소를 사용하여 열적으로 안정된 다양한 제품을 생산할 수 있습니다. 이러한 변형 폴리실록산은 220°C까지 열적으로 안정하며 훨씬 더 높은 가열건조 온도에서 사용할 수 있습니다.
일반적으로 실리콘 첨가제는 비반응성이므로, 바인더의 가교 반응을 방해하지 않습니다. 그러나 특수 용도의 경우 실리콘 첨가제가 바인더 매트릭스에 참여되는 것이 바람직할 수 있습니다. 반응물은 (유기 변형의 말단에) 1차 수산기(이소시아네이트 또는 기타 OH 반응성 시스템과의 반응용) 또는 이중 결합(자외선 경화 시스템과의 반응용) 중 하나를 갖습니다.
실리콘 계면활성제는 폴리에테르 변형 디메틸실록산이지만, 이 경우 분자량이 대부분의 다른 실리콘 첨가제의 일반적인 분자량보다 상당히 낮습니다. 실록산 사슬은 단 몇 개의 Si-O 단위로 구성되며 평균적으로 폴리에테르 사슬이 하나 정도만 포함되어 있습니다. 이러한 이유로 실록산은 매우 뚜렷한 계면활성제 구조(극성/비극성)를 가지고 있습니다. 수성 시스템에서 이러한 제품은 도료의 슬립을 증가시키지 않으면서 표면 장력을 크게 낮춥니다. 더 큰 슬립이 필요한 경우 실리콘 계면활성제는 수성 시스템에 적합한 다른 실리콘 첨가제와 함께 사용될 수 있습니다.
도료에 낮은 표면 장력이 필요할 때 자주 사용되는 불소 계면활성제와 비교할 때 실리콘 계면활성제는 시스템의 기포 발생 경향을 증가시키지 않는다는 장점이 있습니다.
