硅改性聚醚密封胶用新型高效光稳定剂知多少？

前言

密封胶(Sealant)是种不定型态用于填缝、黏接并有适当弹性可承受一定位移形变的密封材料，主要用于建筑、土木、交通运输及电器等工业，近年来随着中空玻璃及建筑幕墙的广泛应用，加速了密封胶市场规模的增长。高性能密封胶主要可分为聚硫橡胶、硅酮和聚氨酯三类，然而聚硫密封胶低温固化慢、耐久性差、有臭味导致市场发展受到限制；硅酮密封胶有良好的耐候性、电绝缘性，但缺点是容易造成周围材料污染且涂抹性差、成本相对较高；聚氨酯密封胶耐磨、弹性好、耐酸碱及有机溶剂、可涂饰，但耐热及耐紫外旋光性差容易变色，固化时会有气泡产生而影响胶体性能。

20世纪70年代，日本企业开发出以聚醚为骨干搭配硅烷封端的新型树酯(Silyl-Terminated Polyether简称STPE，分子结构如图1)并进一步制成硅改性聚醚密封胶。此类型的密封胶，由于结构上的差异，成功改善硅酮胶的接缝脏污及聚氨酯胶的低耐候性问题，不含溶剂、施工方便，在黏接性能及耐久、耐候性上也都有不错表现，可涂饰，在日本、欧美都有广泛的应用及不错的销量，尤其在日本建筑用密封胶更以1/3以上的市占率位居首位，前景不可限量。

硅改性聚醚树酯的耐候特性

有机树酯在阳光或人造光源照射下，加上温度、湿度等环境因子的共同作用，常会导致材料出现老化现象，包括变色、脆化、粉化、龟裂等等。而STPE密封胶成分中主要是以树酯为主体，加上增塑剂、填料、少量改性剂及助剂所组成，因此树酯本身的耐候性对于密封胶成品的整体性能表现致为关键。STPE树酯为无色透明黏稠液体，将树酯置于300W金属灯耐黄变机中测试240小时，观察树酯黏度及黄变值的变化，结果如表1所示，黏度及黄变值初期会急速上升，后期则反转大幅下降，表示耐候稳定性不足。

图2 STPE固化试片耐候黄变差值变化趋势图

在有机锡催化剂的促进下，STPE树酯会固化成透明无色的弹性体，利用QUV耐候试验机进行耐候测试，结果如图2，试片黄变差值随着时间不断上升，经过60小时后试片表面开始出现液化现象，透过图3可看到100小时后的试片已经大量流失，原因应该是树酯经过紫外光曝晒，造成聚醚的(C-O)键断裂进而产生自由基，这些自由基会造成树酯的断链连锁反应，最终造成固化树酯的崩解。根据上述实验数据显示，单纯的STPE树酯不论是固化前的预聚体或是交联后的弹性体，其耐候性都还有改善的空间，根据文献的记载，有机硅改性密封胶的基础配方中可加入少量光安定剂来提高产品的耐候性，因此我们试着添加不同的光安定剂来比较其中的差异，进而找出最佳解决方案。

图3 STPE固化试片耐候外观照片

实验设计与实作

材料

选用STPE液态树酯，有机锡催化剂(日东化成，NEOSTANN U-220H)及光稳定剂(永光化学)，其中光稳定剂资料请参阅表2。为了增加有机高分子耐候性能，最简易且普遍的方法就是添加光稳定剂(UV Light stabilizer)，其中紫外光吸收剂(UV Absorber , UVA)能够吸收紫外光，减少紫外线对高分子材料的辐射强度，减缓老化速度，UVA本身会藉由结构重排将能量以热能形式散发；另一类安定剂为受阻胺光稳定剂(Hindered Amine Light Stabilizer , HALS)，可以捕捉材料中的自由基，阻断材料中光、氧老化的连锁反应，延长产品的使用年限。

表2 永光化学稳定剂数据

试片制作

液态树酯加入光稳定剂搅拌均匀后，经120℃抽真空2hr脱除水分及气泡，降温至50℃后加入有机锡催化剂并利用行星式搅拌器混合均匀后入模制成厚度约2mm的透明试片，完全固化后将各试片裁成哑铃型试片(规格如图4)。

图4 ASTM D 412 (Die C)哑铃型试片规格图

耐候测试与量测规范

利用Q-LAB UV加速耐候试验机(型号：QUV/se)并依据ASTM G154-1规范进行耐候测试，使用Minolta色差仪(型号：CM-3500d)量测黄变值(Yellowness Index；YI值)，再利用万能试验机(厂牌：Hung Ta，型号：HT-9102)量测试片抗拉强度及伸长率。

实验结果分析

黄变值数据与分析

根据表3的数据来看，未添加光稳定剂的试片会快速变黄，60小时后试片逐渐液化崩解，另外三组有添加光稳定剂的试片在1000小时测试后外观依然完整(如图5)，可见光稳定剂的添加足以大幅度增加STPE固化树酯的耐候性，晋升为可长期抵挡紫外光侵袭的高性能材料，再从图6得知新型液态高效能的Ev. HP1抑制黄变的效能尤其显著，在添加4%的状况下，可维持YI黄变值小于20长达近1000小时，就算只添加2%也可维持800小时，比起业界惯用粉态产品UVA 327 + HALS 770 共4%的400小时效果更是大上一倍之多，成功将STPE固化树脂的耐候性推向更高档次。  

图5 耐候测试试片实际照片

抗拉强度/伸长率数据与分析

另外在试片物性变化上，由表4得知试片在经过1000小时的加速耐候测试后，三组有添加光稳定剂的试片在抗拉强度及伸长率的维持率至少都在70%以上，尤其添加4%Ev.HP1对于试片的保护效果更是显著，在严苛的耐候条件下经过1000小时后其物性几乎没有任何衰退的现象，比起未添加任何安定剂的试片在60小时后逐渐融解来看，光稳定剂的确是发挥了相当大的作用。

表3试片耐候测黄变值(YI)量测数据

兼容性与安定性

另外在实验过程中发现光安定剂的选用除了效能考虑外，兼容性也是不可忽视的重点，整体来说液态稳定剂与液态树酯的兼容性会比粉体稳定剂好，可避免如图7加工混合不均及密封胶固化后添加剂析出的问题，进而大幅降低日后密封胶在储存安定性与物性维持上的风险。

表4 试片耐候测试1000小时前后物性比较数据

结语

硅改性聚醚树酯的耐候性对于整个密封胶成品的应用性能有着决定性的影响，由实际测试结果得知，硅改性聚醚树酯不论是固化前或后，其耐候性明显不足，就算STPE树酯本身有着许多其他树酯所没有的优点，但若无法延长使用寿命，要制成高效能密封胶的可能性就微乎其微，好在光稳定剂的添加能够大幅提升其耐候性能，尤其是添加兼容性良好的Eversorb HP1液态复合型光稳定剂于硅改性聚醚密封胶中，不但能有效抑制黄变问题，对于密封胶整体物性的维持更是有绝对的帮助。