耐沾污性建筑外墻涂料的理論研究及現狀
2011-07-20 11:18:44
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關鍵詞：耐沾污；荷葉效應；自分層技術；微粉化技術；光催化效應
1.涂膜污染的原因
外墻涂料在使用的環(huán)境中，涂膜時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，隨著我國工業(yè)的發(fā)展和家庭汽車的普及，排放的廢氣中含大量的污染物，這些污染物通過多種渠道和形式污染外墻涂層。歸納起來大致原因如下：
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，玻璃化轉變溫度（Tg）一般為20℃左右，所以1年中有相當長的時間其涂膜溫度處于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），吸附作用并不嚴重，但在一定的氣候條件下涂膜易產生靜電，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，細小的塵埃溶解或分散在雨水中形成膠體，通過涂膜的吸水性，進入涂膜毛細孔，水分蒸發(fā)后塵埃留在毛細孔內，沉積在涂膜表面，從而對涂膜造成永久性的污染。總之，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上進入到涂膜的內部，相對于附著性污染，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構決定，并受外界條件的影響。因此，提高涂料耐沾污性需根據涂膜被沾污的機理，從涂料的組成和結構兩方面進行探討。
2.1提高玻璃化轉變溫度（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過低，涂層易高溫返粘、易沾塵，造成裝飾效果降低；聚合物Tg過高，在常溫下涂料不能有效地成膜，對施工不利，所以，聚合物玻璃化溫度的大小對于涂膜耐沾污性和施工性是一對矛盾，配制涂料時，必須選擇具有合適玻璃化溫度的聚合物乳液。我國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、無皂乳液聚合及乳液互穿聚合物網絡（LIPN）等較為先進的乳液合成方法，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；無皂乳液聚合可以消除乳化劑帶來的負面影響，提高涂膜性能，需解決的是提高乳液的穩(wěn)定性和固含量等問題；LIPN技術類似核殼乳液聚合，所不同的是網絡自身也有一定程度的交聯(lián)，核/殼間聚合物鏈可在相當寬的范圍內相互貫穿，使其在抗震、防水等方面表現出優(yōu)異性能，滿足長期使用要求。新的乳液聚合技術極大地提高了乳液的性能，促進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，降低涂膜對污染物的吸附性，從而提高其耐沾污性。近年來，市場上出現的低表面能涂料，通過提供疏水的表面涂層來實現防污目的。開發(fā)的有機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，最近市場上還出現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粒子存在于涂膜中，賦予涂膜疏水性，污染物既不會以水作為吸附介質而吸附于涂膜中，也不會粘附于涂膜表面，提高了涂膜的耐沾污性能。疏水性的界面劑既使涂膜產生斥水性，還會使涂膜結構更為致密而提高涂膜的耐凍融性，進而提高涂料的耐老化性。但是疏水助劑的時效性較短，長則一兩年，短則幾個月。
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，對涂層色彩產生不同程度的遮蓋，下雨時，塵埃會隨同雨水在毛細作用下侵入涂層，水分蒸發(fā)后，塵埃微粒繼續(xù)留存于微孔內，這將會對涂膜的裝飾效果產生“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重要途徑。可采取以下措施：
（1）設置適當的顏料體積濃度（PVC）
涂料是一個由有機聚合物和無機顏填料組成的復合材料體系，顏料體積濃度（PVC）是支配該體系性能的重要參數，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）時涂料有較好的性能。當PVC過低時，高溫回粘現象將會變得嚴重；相反，當PVC過高時，涂膜的玻璃化溫度會相應提高，高溫回粘現象減輕，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，從耐沾污性能來說涂料的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，具有球狀中空結構，球的外殼是玻璃化溫度很高的聚合物，顆粒很細，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理如下：對于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，無論PVC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微，粒徑一般在5~40nm之間，易于滲透，具有增強涂膜對基層的附著力和填充涂膜中孔隙的作用，成膜之后的結構非常致密堅硬，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。
2.4使用納米技術
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、對紫外線的反射特性和氟碳乳液中氟碳鏈的耐化學性好，能夠抵御光催化的氧化還原作用，使二者優(yōu)勢互補，得到新型水性高性能氟碳涂料。該涂料涂膜的微觀結構有排列整齊的微孔，這些微孔在光合作用下會產生高活性羥基及電子空穴團，能夠將污染物分解成H2O和CO2，易被雨水沖刷干凈，具有良好的耐沾污性和自潔性。隨著超細粉料和納米級顏填料的快速發(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源。利用納米材料的優(yōu)良性能，加強其在
