硅改性聚醚密封膠用新型高效光穩定劑知多少？

前言

密封膠(Sealant)是種不定型態用于填縫、黏接并有適當彈性可承受一定位移形變的密封材料，主要用于建筑、土木、交通運輸及電器等工業，近年來隨著中空玻璃及建筑幕墻的廣泛應用，加速了密封膠市場規模的增長。高性能密封膠主要可分為聚硫橡膠、硅酮和聚氨酯三類，然而聚硫密封膠低溫固化慢、耐久性差、有臭味導致市場發展受到限制；硅酮密封膠有良好的耐候性、電絕緣性，但缺點是容易造成周圍材料污染且涂抹性差、成本相對較高；聚氨酯密封膠耐磨、彈性好、耐酸堿及有機溶劑、可涂飾，但耐熱及耐紫外旋光性差容易變色，固化時會有氣泡產生而影響膠體性能。

20世紀70年代，日本企業開發出以聚醚為骨干搭配硅烷封端的新型樹酯(Silyl-Terminated Polyether簡稱STPE，分子結構如圖1)并進一步制成硅改性聚醚密封膠。此類型的密封膠，由于結構上的差異，成功改善硅酮膠的接縫臟污及聚氨酯膠的低耐候性問題，不含溶劑、施工方便，在黏接性能及耐久、耐候性上也都有不錯表現，可涂飾，在日本、歐美都有廣泛的應用及不錯的銷量，尤其在日本建筑用密封膠更以1/3以上的市占率位居首位，前景不可限量。

硅改性聚醚樹酯的耐候特性

有機樹酯在陽光或人造光源照射下，加上溫度、濕度等環境因子的共同作用，常會導致材料出現老化現象，包括變色、脆化、粉化、龜裂等等。而STPE密封膠成分中主要是以樹酯為主體，加上增塑劑、填料、少量改性劑及助劑所組成，因此樹酯本身的耐候性對于密封膠成品的整體性能表現致為關鍵。STPE樹酯為無色透明黏稠液體，將樹酯置于300W金屬燈耐黃變機中測試240小時，觀察樹酯黏度及黃變值的變化，結果如表1所示，黏度及黃變值初期會急速上升，后期則反轉大幅下降，表示耐候穩定性不足。

圖2 STPE固化試片耐候黃變差值變化趨勢圖

在有機錫催化劑的促進下，STPE樹酯會固化成透明無色的彈性體，利用QUV耐候試驗機進行耐候測試，結果如圖2，試片黃變差值隨著時間不斷上升，經過60小時后試片表面開始出現液化現象，透過圖3可看到100小時后的試片已經大量流失，原因應該是樹酯經過紫外光曝曬，造成聚醚的(C-O)鍵斷裂進而產生自由基，這些自由基會造成樹酯的斷鏈連鎖反應，最終造成固化樹酯的崩解。根據上述實驗數據顯示，單純的STPE樹酯不論是固化前的預聚體或是交聯后的彈性體，其耐候性都還有改善的空間，根據文獻的記載，有機硅改性密封膠的基礎配方中可加入少量光安定劑來提高產品的耐候性，因此我們試著添加不同的光安定劑來比較其中的差異，進而找出最佳解決方案。

圖3 STPE固化試片耐候外觀照片

實驗設計與實作

材料

選用STPE液態樹酯，有機錫催化劑(日東化成，NEOSTANN U-220H)及光穩定劑(永光化學)，其中光穩定劑資料請參閱表2。為了增加有機高分子耐候性能，最簡易且普遍的方法就是添加光穩定劑(UV Light stabilizer)，其中紫外光吸收劑(UV Absorber , UVA)能夠吸收紫外光，減少紫外線對高分子材料的輻射強度，減緩老化速度，UVA本身會藉由結構重排將能量以熱能形式散發；另一類安定劑為受阻胺光穩定劑(Hindered Amine Light Stabilizer , HALS)，可以捕捉材料中的自由基，阻斷材料中光、氧老化的連鎖反應，延長產品的使用年限。

表2 永光化學穩定劑數據

試片制作

液態樹酯加入光穩定劑攪拌均勻后，經120℃抽真空2hr脫除水分及氣泡，降溫至50℃后加入有機錫催化劑并利用行星式攪拌器混合均勻后入模制成厚度約2mm的透明試片，完全固化后將各試片裁成啞鈴型試片(規格如圖4)。

圖4 ASTM D 412 (Die C)啞鈴型試片規格圖

耐候測試與量測規范

利用Q-LAB UV加速耐候試驗機(型號：QUV/se)并依據ASTM G154-1規范進行耐候測試，使用Minolta色差儀(型號：CM-3500d)量測黃變值(Yellowness Index；YI值)，再利用萬能試驗機(廠牌：Hung Ta，型號：HT-9102)量測試片抗拉強度及伸長率。

實驗結果分析

黃變值數據與分析

根據表3的數據來看，未添加光穩定劑的試片會快速變黃，60小時后試片逐漸液化崩解，另外三組有添加光穩定劑的試片在1000小時測試后外觀依然完整(如圖5)，可見光穩定劑的添加足以大幅度增加STPE固化樹酯的耐候性，晉升為可長期抵擋紫外光侵襲的高性能材料，再從圖6得知新型液態高效能的Ev. HP1抑制黃變的效能尤其顯著，在添加4%的狀況下，可維持YI黃變值小于20長達近1000小時，就算只添加2%也可維持800小時，比起業界慣用粉態產品UVA 327 + HALS 770 共4%的400小時效果更是大上一倍之多，成功將STPE固化樹脂的耐候性推向更高檔次。  

圖5 耐候測試試片實際照片

抗拉強度/伸長率數據與分析

另外在試片物性變化上，由表4得知試片在經過1000小時的加速耐候測試后，三組有添加光穩定劑的試片在抗拉強度及伸長率的維持率至少都在70%以上，尤其添加4%Ev.HP1對于試片的保護效果更是顯著，在嚴苛的耐候條件下經過1000小時后其物性幾乎沒有任何衰退的現象，比起未添加任何安定劑的試片在60小時后逐漸融解來看，光穩定劑的確是發揮了相當大的作用。

表3試片耐候測黃變值(YI)量測數據

兼容性與安定性

另外在實驗過程中發現光安定劑的選用除了效能考慮外，兼容性也是不可忽視的重點，整體來說液態穩定劑與液態樹酯的兼容性會比粉體穩定劑好，可避免如圖7加工混合不均及密封膠固化后添加劑析出的問題，進而大幅降低日后密封膠在儲存安定性與物性維持上的風險。

表4 試片耐候測試1000小時前后物性比較數據

結語

硅改性聚醚樹酯的耐候性對于整個密封膠成品的應用性能有著決定性的影響，由實際測試結果得知，硅改性聚醚樹酯不論是固化前或后，其耐候性明顯不足，就算STPE樹酯本身有著許多其他樹酯所沒有的優點，但若無法延長使用壽命，要制成高效能密封膠的可能性就微乎其微，好在光穩定劑的添加能夠大幅提升其耐候性能，尤其是添加兼容性良好的Eversorb HP1液態復合型光穩定劑于硅改性聚醚密封膠中，不但能有效抑制黃變問題，對于密封膠整體物性的維持更是有絕對的幫助。