通過特殊技術改進無機硅酸鉀涂料，使其單組份化，且表干后即具有荷葉效應，實驗結果表明該涂料具有良好的耐沾污性能及優(yōu)異的耐老化性能。
關鍵詞：疏水型；單組份；耐沾污；硅酸鹽涂料
近年來，為了減少對石油衍生品的依賴，加之國內高層建筑的興起及國際知名無機建筑涂料商進入中國，耐侯性優(yōu)異的無機涂料再度引起人們的重視。因為無機涂料的耐老化性及與水泥之間優(yōu)異的結合力是絕大多數(shù)相同成本的有機涂料難以達到的，具有獨特的技術經(jīng)濟價值。
在無機建筑涂料中，大致可分為兩類，一類是以堿金屬硅酸鹽為主要粘結劑，另一類是以硅溶膠與合成乳液混合物為主要粘結劑
（1）從歐洲無機涂料應用的情況看來，由于歐盟對無機涂料中有機物含量有一個5%
的限定，所以目前還是以堿金屬硅酸鹽為主。世界上第一項關于堿金屬硅酸鹽涂料的專利就誕生在德國的巴伐利亞州，作者曾看到一些圖片，在十九世紀用硅酸鹽涂料涂刷的建筑物外墻歷經(jīng)百年風雨至今仍保持良好的效果，古樸、莊重、耐久的裝飾風格已成為無機建筑涂料的象征。
然而，由于乳液合成技術的進步，以及用于合成樹脂乳液涂料配套助劑的大量出現(xiàn)，使得合成樹脂乳液涂料的適用面比無機涂料更廣，特別體現(xiàn)在色彩效果和開罐效果方面，使得現(xiàn)有的無機建筑涂料無法與之競爭；另外是無機涂料在使用上也存在一些缺陷，如雙組份包裝、沉淀嚴重，需要現(xiàn)場計量調制等，不能滿足現(xiàn)代施工簡單、快捷的需求，能否將這一古老產(chǎn)品推陳出新已成為無機涂料發(fā)展的關鍵。
針對硅酸鹽涂料的存在的問題，本研究重點探索了硅酸鉀固化劑、疏水劑對無機涂料性能的影響，通過選擇高模數(shù)的硅酸鉀及相關助劑制得一種新型的單組份硅酸鉀外墻涂料，其裝飾效果及外觀與乳液涂料相近，全干后可形成獨特的疏水效果。在保留硅酸鹽涂料優(yōu)異耐侯性特點的同時賦予其新的技術內涵。
1 硅酸鉀涂料的固化、疏水機理及其必要性
1．1 硅酸鉀又名鉀水玻璃，化學式K 2 O ·n SiO 2 ·m H 2 O
，其為二氧化硅在強堿性氫氧化鉀溶液中溶解所得，較之硅酸鈉，它具有更好的滲透性及較小的泛堿性，已成為無機涂料粘合劑的首選。由于硅酸鉀富含膠體二氧化硅，細微的膠粒對水泥基材有較強的滲透力，能通過毛細管滲透遷移到基材內部
0.5-2mm
深，并在滲透的過程中逐漸失水，形成硅酸凝膠，最終結合成網(wǎng)狀二氧化硅結構，并同時與水泥基層中的氧化鈣反應生成不溶于水的硅酸鈣結晶，使涂料與墻面牢固地結合為一體，形成剛性涂層，此時涂層的表面硬度可達到最大值4.6(
莫氏硬度)，耐侯性、耐污性、抗熱粘連性及耐磨性突出，非常適合水泥基墻體的防護。且涂料和墻體同屬硅酸鹽基質，一體化程度高，有相近的熱漲冷縮系數(shù)，能有效避免涂層脫殼和剝落。
在垂直的建筑用石棉水泥平板（JG/T412 - 1991）上刷硅酸鹽涂料，這種滲透硅化反應通常需要持續(xù)一個月，在此之前，涂層的耐雨蝕性較差，不能滿足外墻涂料的要求。圖1 反映了25℃條件下，硅酸鹽涂料隨著時間的增長與耐洗擦性的關系。
由圖1 可見，靠硅酸鹽自身的緩慢滲透固化，是不能滿足現(xiàn)代外墻涂料的施工要求的，必須添加固化劑促進交聯(lián)，讓固化劑鑲嵌在二氧化硅的網(wǎng)格間，這種交聯(lián)結構的形成及性能比單向交聯(lián)結構更加快捷、致密，這就是硅酸鹽建筑涂料通常是雙組份的原因
（2 ）
了25℃條件下，磷酸鹽固化劑添加量為2%的雙組份硅酸鉀涂料在24小時內耐洗擦性的變化情況。
從圖2 可見，水玻璃固化劑的加入，使硅酸鹽涂料的早期濕強度大大提高，24小時后即可形成防雨性。
1 ．2 與乳液涂料的封閉性相比，硅酸鹽涂料的透氣性是其長處之一，但多孔性的表面必然導致涂層的吸水率較高，易使涂層處于潮濕狀態(tài)，這對外墻涂料凍融性來說是致命的，所以在國外的硅酸鹽涂料文獻中，幾乎都提到了到憎水劑的作用
（3 ）目的就是形成反毛細孔 效應，實現(xiàn)透氣而不滲水。墻體水分的進入主要原因其中的毛細孔吸附，毛細孔吸水是由于作用在毛細孔表面的水的表面張力而在空隙內產(chǎn)生吸附水的驅動力之故。水和墻面砂漿層的接觸角一般都小于2 0度，其合力能驅使水進入毛細孔中，因而能侵濕墻體表面及深處。
在玻璃化溫度以上，乳液涂料是通過均勻的乳膠粒軟化形成平滑的連續(xù)相，從而封閉毛細孔從而實現(xiàn)墻面防水之功效。而 硅酸鹽涂料卻與之不同，無定形的膠體二氧化硅只能堆積而不能形變，其形成的膜通常是粗糙而多隙，如圖3 所示。
圖3 乳液涂料和硅酸鹽涂料的成膜對比示意圖
根據(jù)文獻報道，表面粗糙度的增加，會促使疏水表面的疏水性更好
（3
）換言之，粗糙面更易形成疏水面。本研究利用硅酸鹽涂料的多孔性及不含乳化劑的特點，通過添加疏水硅烷與硅酸鉀復配的方法，增大涂層表面與水的接觸角，形成所謂的荷葉效應來達到疏水防污的目的。其原理是利用有機硅的疏水性，使其吸附在涂層空隙（微細孔、毛細孔等）的壁上，致使毛細孔入口處產(chǎn)生阻力，使水收縮呈珠狀而不能滲入毛細孔中。理論上，疏水性的優(yōu)劣可用靜態(tài)水接觸角來衡量。根據(jù)我們的實驗，在用有機硅憎水劑處理過的建筑用石棉水泥平
板上，水珠即可實現(xiàn)自由滾動而不留痕跡，基本達到了荷葉的動態(tài)疏水效果，而此時測得的接觸角在96°左右，如圖4 所示。
圖4 實際疏水效果與靜態(tài)接觸角的對比
從圖4
上對比的情況看，在動態(tài)疏水效果如此好的情況下，靜態(tài)接觸角的實測數(shù)據(jù)卻并不高，與荷葉的140
°靜態(tài)角相差甚遠。我們認為這與建筑用石棉水泥板表面的平整度有關，粗糙的表面在顯微鏡下產(chǎn)生模糊，使基準面難以確定所致。所以，對于硅酸鹽涂料這種必須在石棉水泥板測試的涂料，在考察疏水性時，還需兼顧垂直面的水珠成形情況。
2 ．實驗部分
2．1 主要原料
硅酸鉀 QPY405 ：工業(yè)級，青島東岳泡花堿有限公司；金紅石型鈦白粉：錦州鈦業(yè)；耐堿纖維素醚、高嶺土、滑石粉：市售；聚氧硅烷疏水劑：TEGO ；分散劑：MUNZING；緩釋型水玻璃固化劑：自制。
2．2 緩釋型水玻璃固化劑的制備
由于本研究的內容是單組份的硅酸鹽涂料，所以固化劑應當是緩釋型的，必須自制。主要技術路線是將磷酸鹽基化，通過施工過程中有機氨的揮發(fā)，將磷酸根慢慢釋放出來，實現(xiàn)對硅酸鉀的交聯(lián)。
2．3 涂料的制備
在容器內加入硅酸鉀及分散劑，在高速攪拌下加入顏料、填料，連續(xù)分散30 分鐘至預定細度；然后依次加入纖維素溶膠、疏水劑及固化劑，混合均勻后過濾出料。
2．4 性能測試
國家行業(yè)標準JG/T 26—2002 對堿金屬硅酸鹽類無機外墻涂料有若干技術指標，但未涉及到疏水指標，考慮到疏水性對硅酸鹽涂料的重要性，本研究著重討論硅酸鹽涂料的兩大特征性指標，耐老化性及疏水性，使用的主要儀器為人工加速老化儀及靜滴接觸角測量儀、馬沸爐等。
3 結果與討論
3．1 硅酸鉀涂料的耐老化性能
為了考察疏水性硅酸鉀涂料的耐老化性能，按照
GB/T1865 -2009 中C
循環(huán)的方式，對某知名品牌的純丙乳液外墻涂料、自制的硅酸鉀外墻涂料、進口的硅酸鉀外墻涂料分別進行制板養(yǎng)護，然后進行250 及1000
小時的人工加速老化試驗（前者為250 小時，后兩者為1000
小時）。根據(jù)前期的探索性試驗，我們發(fā)現(xiàn)三者在老化箱內粉化、起泡及開裂現(xiàn)象均不太明顯，但黃變程度卻差異較大，所以本研究重點考察黃變指標。測試結果如圖5
所示。
為了說明有機物含量與黃變的關系，本研究還測定了三者的燒失量（注：硅酸鉀通常含有化合水，
圖5 三種涂料在老化箱內的黃變圖片
約為其固含量的10 -15%，故硅酸鹽涂料的燒失量數(shù)據(jù)為有機物與化合水之和），如表1 所示。
綜上所述可見，人工老化黃變的程度隨有機物含量的增加而增加，由此可以認為：在涂料組份中，導致黃變的主要因素還是合成樹脂類有機物。根據(jù)我們的研究，在耐紫外線方面，硅酸鹽涂料確實具有得天獨厚的優(yōu)勢，若用無機顏料著色，裝飾效果延續(xù)百年是非?？尚诺?。
3．2 疏水硅烷用量對疏水性的影響
可用于硅酸鹽涂料防水的硅烷品種繁多，本研究篩選了一種與硅酸鉀相容性良好的硅烷 A，以 5% 、10%、15%及20%與硅酸鉀涂料復配，然后在石棉水泥板上涂刷 2 遍，25 ℃條件下，養(yǎng)護 48 小時后分
別測試其靜態(tài)水接觸角，測試值與硅烷用量的對應關系如表2 所示。
從表2 可見，硅烷的用量與疏水性并不呈正比關系，而存在一個最佳配比。如前所述，水平面測得的水接觸角僅是一個表征，并不能完全體現(xiàn)垂直墻面的疏水情況，由于沒有重力的作用，通常在水平面上有70℃左右水接觸角的涂層，在垂直墻面已有很好的雨過無痕效果了。
3．3 涂料疏水性對施工的影響
建筑用外墻涂料通常的施工程序為一底兩面，即在一遍底涂的基礎上，再施二道面涂，硅酸鹽涂料也不例外。但疏水性涂料對第二遍面涂施工的時效提出了新的要求，原因在于第一遍疏水涂料完全干燥之后就會產(chǎn)生疏水性，這對第二遍涂料的附著產(chǎn)生障礙，主要表現(xiàn)在施工時出現(xiàn)油縮現(xiàn)象，數(shù)日內涂層還會自動脫落。因此，在施工前根據(jù)氣溫測試涂料疏水性產(chǎn)生的時間很有必要，以便把握第二遍涂料施工的時段，可有效規(guī)避附著力損失的風險。
本研究制備的硅酸鉀涂料作為新一代的單組份、耐侯、自清潔型無機建筑涂料，在保留其多孔性的同時，采用復配硅烷的技術，使其水平靜態(tài)水接觸角達到7 0 ℃，垂直動態(tài)流動水呈珠狀，實現(xiàn)了乳液涂料難以達到的疏水性。在要求建筑涂料低碳、環(huán)保及阻燃的大背景下，資源豐富、耐侯性優(yōu)異的無機涂料開發(fā)應用將成為一種趨勢，本研究為這種趨勢的可行性提供了初步探索。
【1 】 涂料工業(yè),2010.6
【2 】 新型建筑材料，1998.10
【3 】 www.woellner.com.cn
【4 】 江雷, 馮琳. 仿生智能納米界面材料【M 】. 北京：化學工業(yè)出版社,2007.