耐沾污性建筑外墻涂料的理論研究及現(xiàn)狀
2011-07-20 11:18:44
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關(guān)鍵詞：耐沾污；荷葉效應(yīng)；自分層技術(shù)；微粉化技術(shù)；光催化效應(yīng)
1.涂膜污染的原因
外墻涂料在使用的環(huán)境中，涂膜時(shí)刻遭受外界各種各樣的污染。首先，大氣中存在各種塵埃，飄浮著帶有油性的煙霧；其次，隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展和家庭汽車(chē)的普及，排放的廢氣中含大量的污染物，這些污染物通過(guò)多種渠道和形式污染外墻涂層。歸納起來(lái)大致原因如下：
1.1粘附
一般而言，建筑外墻涂料的成膜基料（聚合物）為熱塑性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）一般為20℃左右，所以1年中有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間其涂膜溫度處于Tg以上，涂層受熱變軟發(fā)粘而沾灰，或是涂層受雨水浸泡而軟化，軟化后的聚合物更容易粘附空氣中的污染物。
1.2吸附
涂膜會(huì)因吸附灰塵而被污染。雖然涂膜屬低能表面（臨界表面張力約為50mN/m左右），吸附作用并不嚴(yán)重，但在一定的氣候條件下涂膜易產(chǎn)生靜電，特別在秋冬季節(jié)，空氣干燥，一旦遇到相反電荷的微粒，相互吸引，形成污染。
1.3吸塵
從微觀上看，涂膜表面凹凸不平，存在孔隙，細(xì)小的塵埃溶解或分散在雨水中形成膠體，通過(guò)涂膜的吸水性，進(jìn)入涂膜毛細(xì)孔，水分蒸發(fā)后塵埃留在毛細(xì)孔內(nèi)，沉積在涂膜表面，從而對(duì)涂膜造成永久性的污染?？傊?，涂膜的污染可以分為附著性污染和吸入性污染2種。前者指的是灰塵等污染物附著在涂膜的表面，而后者是指污染物在附著的基礎(chǔ)上進(jìn)入到涂膜的內(nèi)部，相對(duì)于附著性污染，吸入性污染更難去除，涂膜的沾污通常是2種情況都包括。因此，提高涂膜的耐沾污性主要是通過(guò)改善涂膜的表面性能使污染物難以吸附并容易除去，以及提高涂膜的致密性使污染物不易滲入2個(gè)途徑。
2.提高涂膜耐沾污性的措施
涂膜性能由涂料的組成和結(jié)構(gòu)決定，并受外界條件的影響。因此，提高涂料耐沾污性需根據(jù)涂膜被沾污的機(jī)理，從涂料的組成和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行探討。
2.1提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）
涂料中的成膜基料一般為熱塑性聚合物，涂膜表面粘度和硬度取決于聚合物的Tg，故涂料中聚合物Tg的高低是影響涂膜耐沾污性的最重要因素。
聚合物的__Tg過(guò)低，涂層易高溫返粘、易沾塵，造成裝飾效果降低；聚合物Tg過(guò)高，在常溫下涂料不能有效地成膜，對(duì)施工不利，所以，聚合物玻璃化溫度的大小對(duì)于涂膜耐沾污性和施工性是一對(duì)矛盾，配制涂料時(shí)，必須選擇具有合適玻璃化溫度的聚合物乳液。我國(guó)早期外墻建筑涂料用聚合物乳液的Tg一般在15~25℃，而日本產(chǎn)品一般選用Tg在30~40℃的乳液作為成膜基料，可以明顯改善涂膜的耐沾污性，但涂料的成膜溫度提高。為解決涂膜的耐沾污性跟涂料成膜性之間的矛盾，研究工作者采用核/殼乳液聚合、無(wú)皂乳液聚合及乳液互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（LIPN）等較為先進(jìn)的乳液合成方法，制備耐沾污性能較為優(yōu)良的乳液體系。核/殼型乳液制得的乳膠涂料抗回粘性好，最低成膜溫度低；無(wú)皂乳液聚合可以消除乳化劑帶來(lái)的負(fù)面影響，提高涂膜性能，需解決的是提高乳液的穩(wěn)定性和固含量等問(wèn)題；LIPN技術(shù)類(lèi)似核殼乳液聚合，所不同的是網(wǎng)絡(luò)自身也有一定程度的交聯(lián)，核/殼間聚合物鏈可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)相互貫穿，使其在抗震、防水等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能，滿足長(zhǎng)期使用要求。新的乳液聚合技術(shù)極大地提高了乳液的性能，促進(jìn)了高性能外墻涂料的發(fā)展。
2.2降低涂膜表面張力
涂膜吸水性是造成涂膜被污染的重要原因之一。降低涂膜表面張力，就能降低涂膜的吸水性，降低涂膜對(duì)污染物的吸附性，從而提高其耐沾污性。近年來(lái)，市場(chǎng)上出現(xiàn)的低表面能涂料，通過(guò)提供疏水的表面涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)防污目的。開(kāi)發(fā)的有機(jī)硅改性丙烯酸酯乳液為基料的外墻乳膠涂料，因其含有有機(jī)硅成分，涂膜表面張力較低，具有極好的耐候性和耐沾污性。另外，最近市場(chǎng)上還出現(xiàn)多種耐沾污性涂料助劑，其主要是各種界面劑，例如超疏水性界面劑和耐沾污劑等。這些助劑本身的表面能很低，且不溶于水，涂料涂裝后仍以微細(xì)粒子存在于涂膜中，賦予涂膜疏水性，污染物既不會(huì)以水作為吸附介質(zhì)而吸附于涂膜中，也不會(huì)粘附于涂膜表面，提高了涂膜的耐沾污性能。疏水性的界面劑既使涂膜產(chǎn)生斥水性，還會(huì)使涂膜結(jié)構(gòu)更為致密而提高涂膜的耐凍融性，進(jìn)而提高涂料的耐老化性。但是疏水助劑的時(shí)效性較短，長(zhǎng)則一兩年，短則幾個(gè)月。
2.3提高涂膜的致密性
從微觀上看，涂膜含有大量的微孔，且表面比較粗糙，呈現(xiàn)出凹凸不平?？諝庵械膲m埃在重力的作用下容易沉積其中，對(duì)涂層色彩產(chǎn)生不同程度的遮蓋，下雨時(shí)，塵埃會(huì)隨同雨水在毛細(xì)作用下侵入涂層，水分蒸發(fā)后，塵埃微粒繼續(xù)留存于微孔內(nèi)，這將會(huì)對(duì)涂膜的裝飾效果產(chǎn)生“致命”的影響。因此，提高涂膜的致密度是改善涂膜耐沾污性的一個(gè)重要途徑。可采取以下措施：
（1）設(shè)置適當(dāng)?shù)念伭象w積濃度（PVC）
涂料是一個(gè)由有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)顏填料組成的復(fù)合材料體系，顏料體積濃度（PVC）是支配該體系性能的重要參數(shù)，在涂料體系中選擇合適的PVC才能使涂料具有最佳的性能，一般，涂料的PVC略小于其臨界顏料體積濃度（CPVC）時(shí)涂料有較好的性能。當(dāng)PVC過(guò)低時(shí)，高溫回粘現(xiàn)象將會(huì)變得嚴(yán)重；相反，當(dāng)PVC過(guò)高時(shí)，涂膜的玻璃化溫度會(huì)相應(yīng)提高，高溫回粘現(xiàn)象減輕，但是涂層的致密性變差，孔隙率增加，其涂層的耐污性變差。因而，從耐沾污性能來(lái)說(shuō)涂料的PVC值以略低于其CPVC值最為合適。
（2）使用遮蓋性聚合物
遮蓋性聚合物是不能成膜的聚合物乳液，具有球狀中空結(jié)構(gòu)，球的外殼是玻璃化溫度很高的聚合物，顆粒很細(xì)，平均粒徑為0.4~1.0μm，可提高涂料的綜合性能。
其提高涂料耐沾污性能的機(jī)理如下：對(duì)于PVC低于CPVC的涂料體系，聚合物含量較大，顏料、填料分散于軟而粘的聚合物之中，造成塵埃顆粒容易粘附于涂膜上，加入部分遮蓋聚合物，在干燥成膜后遮蓋聚合物分布在涂膜中，使涂膜的硬度提高，從而改善涂膜的耐沾污性能；對(duì)于PVC高于CPVC的涂料體系，顏填料的含量較高，涂膜中顏、填料之間的空隙較大，粒徑通常為5~30μm的塵埃易吸附于其中且不容易被清除，加入球形且粒徑很小的遮蓋聚合物后，可填充在顏、填料之間的空隙中，涂膜致密性提高，使塵埃難以被吸附于涂膜中。因而，無(wú)論P(yáng)VC低于CPVC的涂料體系，還是PVC高于CPVC的涂料體系，遮蔽型聚合物微球的加入都會(huì)提高涂膜的耐沾污性能。另外，采用部分遮蔽性中空微球可以降低乳液用量，而不影響涂層的綜合性能。__
（3）硅溶膠的使用
硅溶膠膠體顆粒比較細(xì)微，粒徑一般在5~40nm之間，易于滲透，具有增強(qiáng)涂膜對(duì)基層的附著力和填充涂膜中孔隙的作用，成膜之后的結(jié)構(gòu)非常致密堅(jiān)硬，間隙極小，塵埃粒子不易侵入其間，使涂料的性能提高。很多涂料配方也證明了這一點(diǎn)。
2.4使用納米技術(shù)
使用納米材料可以制成耐沾污性能良好的外墻涂料。例如，某涂料利用納米材料的疏水性、對(duì)紫外線的反射特性和氟碳乳液中氟碳鏈的耐化學(xué)性好，能夠抵御光催化的氧化還原作用，使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得到新型水性高性能氟碳涂料。該涂料涂膜的微觀結(jié)構(gòu)有排列整齊的微孔，這些微孔在光合作用下會(huì)產(chǎn)生高活性羥基及電子空穴團(tuán)，能夠?qū)⑽廴疚锓纸獬蒆2O和CO2，易被雨水沖刷干凈，具有良好的耐沾污性和自潔性。隨著超細(xì)粉料和納米級(jí)顏填料的快速發(fā)展，為提高建筑乳膠涂料的耐沾污性提供了更多的原料來(lái)源。利用納米材料的優(yōu)良性能，加強(qiáng)其在
