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異的結合力是絕大多數相同成本的有機涂料難以達到的，具有獨特的技術經濟價值。
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，使得合成樹脂乳液涂料的適用面比無機涂料更廣，特別體現在色彩效果和開罐效果方面，使得現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，需要現場計量調制等，不能滿足現代施工簡單、快捷的需求，能否將這一古老產品推陳出新已成為無機涂料發展的關鍵。
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，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，是不能滿足現代外墻涂料的施工要求的，必須添加固化劑促進交聯，讓固化劑鑲嵌在二氧化硅的網格間，這種交聯結構的形成及性能比單向交聯結構更加快捷、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(tiao)件下，磷酸鹽固化(hua)(hua)劑添(tian)加(jia)量為2%的雙組(zu)份(fen)硅酸鉀涂料(liao)在24小時內(nei)耐(nai)洗擦性的變(bian)化(hua)(hua)情況。
從圖2 可見，水玻璃固化劑的加入，使硅酸鹽涂(tu)料的早期濕強度大(da)大(da)提高，24小(xiao)時后即(ji)可形成防(fang)雨(yu)性。
1 ．2 與乳液涂料的(de)(de)封閉性相比，硅酸鹽(yan)涂料的(de)(de)透氣性是其長處之一，但多孔性的(de)(de)表面必然導(dao)致涂層(ceng)的(de)(de)吸水率較高(gao)，易使(shi)涂層(ceng)處于潮(chao)濕狀態(tai)，這(zhe)對外墻涂料凍(dong)融性來(lai)說是致命的(de)(de)，所(suo)以(yi)在國外的(de)硅酸鹽(yan)涂料文獻中，幾乎都(dou)提到了到憎水劑的(de)作用
（3 ）目的就(jiu)是形成反毛細(xi)孔(kong) 效應(ying)，實現透(tou)氣而不滲水。墻體(ti)水(shui)分的進入主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)其中的毛細孔吸(xi)附，毛細孔吸(xi)水(shui)是由于(yu)作用在毛細孔表面的水(shui)的表面張力而在空隙內產生吸附水的驅動力之故。水和墻面砂漿層的接觸角(jiao)一般都小于2 0度，其合力(li)能(neng)驅使(shi)水(shui)進入毛細孔(kong)中，因(yin)而能(neng)侵濕(shi)墻(qiang)體表面及深處。
在玻璃化(hua)溫(wen)度以上(shang)，乳(ru)液涂料(liao)是通過均勻(yun)的(de)乳(ru)膠粒(li)軟化(hua)形成平(ping)滑的(de)連(lian)續(xu)相，從而(er)封閉毛細孔從而實現(xian)墻(qiang)面(mian)防水(shui)之功效。而 硅酸鹽涂(tu)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(cheng)的膜通常是(shi)粗糙而多隙，如(ru)圖3 所(suo)示。
圖3 乳液(ye)涂料和硅酸鹽(yan)涂料的成膜(mo)對(dui)比示意圖
根據(ju)文獻報道，表面粗糙度的增加(jia)，會促使疏水表面的疏水性更(geng)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，疏水性的優劣可用靜態水接觸角來衡量。根據我們的實驗，在用有機硅憎水劑處理過的建筑用石棉水泥平
板上(shang)，水珠即可實現自(zi)由滾動(dong)而不(bu)留痕跡，基(ji)本達到了荷葉的動(dong)態疏水效果，而此時測得的接觸角在96°左右，如(ru)圖4 所示。
圖4 實際疏水(shui)效(xiao)果與(yu)靜態接(jie)觸角的(de)對比(bi)
從圖4
上對比的情況看，在動態疏水效果如此好的情況下，靜態接觸角的實測數據卻并不高，與荷葉的140
°靜態角相差甚遠。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 ：工業級，青島東岳泡花堿有限公司；金紅石型鈦白粉：錦州鈦業；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，將磷酸根慢慢釋放出來，實現對硅酸鉀的交聯。
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）。根據前期的探索性試驗，我們發現三者在老化箱內粉化、起泡及開裂現象均不太明顯，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(xi)，本研究還測定了三(san)者的燒(shao)失量（注：硅(gui)酸鉀(jia)通(tong)常含有化合(he)水，
圖5 三種涂料在老化箱內的黃變圖片
約為(wei)其固含量的10 -15%，故硅酸鹽涂料的燒失量數據為(wei)有機(ji)物與(yu)化合水之和），如表(biao)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勢，若用無機顏料著色，裝飾效果延續百年是非常可信的。
3．2 疏水硅烷用量對疏水性的影響
可用于硅(gui)酸(suan)鹽(yan)涂(tu)料防水的硅(gui)烷(wan)品(pin)種繁多，本研究篩選了一種與(yu)硅(gui)酸(suan)鉀相容(rong)性良好的硅(gui)烷(wan) A，以 5% 、10%、15%及20%與(yu)硅(gui)酸(suan)鉀涂(tu)料復(fu)配，然后在石棉水泥板上涂(tu)刷 2 遍，25 ℃條(tiao)件下，養護 48 小時后分
別(bie)測試其(qi)靜(jing)態水接觸角，測試值與硅烷(wan)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(wai)墻涂(tu)料通(tong)常的(de)施(shi)(shi)(shi)工程(cheng)序為(wei)一底(di)(di)兩面(mian)，即在一遍(bian)(bian)(bian)(bian)底(di)(di)涂(tu)的(de)基礎(chu)上，再施(shi)(shi)(shi)二(er)道面(mian)涂(tu)，硅(gui)酸鹽涂(tu)料也(ye)不例外(wai)。但疏水(shui)性涂(tu)料對(dui)第(di)二(er)遍(bian)(bian)(bian)(bian)面(mian)涂(tu)施(shi)(shi)(shi)工的(de)時效(xiao)提出(chu)了新的(de)要求，原因(yin)在于(yu)第(di)一遍(bian)(bian)(bian)(bian)疏水(shui)涂(tu)料完(wan)全干燥之(zhi)后就會產生(sheng)疏水(shui)性，這對(dui)第(di)二(er)遍(bian)(bian)(bian)(bian)涂(tu)料的(de)附(fu)著產生(sheng)障礙，主要表(biao)現在施(shi)(shi)(shi)工時出(chu)現油縮現象，數(shu)日內涂(tu)層(ceng)還會自動脫落。因(yin)此，在施(shi)(shi)(shi)工前根據氣溫測試(shi)涂(tu)料疏水(shui)性產生(sheng)的(de)時間很有必要，以便(bian)把(ba)握(wo)第(di)二(er)遍(bian)(bian)(bian)(bian)涂(tu)料施(shi)(shi)(shi)工的(de)時段，可有效(xiao)規(gui)避(bi)附(fu)著力損失的(de)風險。
本研(yan)究制(zhi)備的(de)(de)(de)硅酸(suan)鉀涂(tu)料(liao)(liao)作為(wei)新一(yi)代的(de)(de)(de)單組份、耐侯(hou)、自(zi)清潔型無(wu)機建筑涂(tu)料(liao)(liao)，在(zai)保留(liu)其(qi)多孔性(xing)的(de)(de)(de)同時(shi)，采用復配(pei)硅烷(wan)的(de)(de)(de)技(ji)術，使其(qi)水(shui)平(ping)靜態水(shui)接觸角(jiao)達到(dao)7 0 ℃，垂直動態流(liu)動水(shui)呈珠狀，實現了乳(ru)液涂(tu)料(liao)(liao)難以(yi)達到(dao)的(de)(de)(de)疏(shu)水(shui)性(xing)。在(zai)要(yao)求建筑涂(tu)料(liao)(liao)低碳、環保及阻燃的(de)(de)(de)大背景下，資源豐(feng)富、耐侯(hou)性(xing)優異的(de)(de)(de)無(wu)機涂(tu)料(liao)(liao)開發應(ying)用將成為(wei)一(yi)種趨勢(shi)，本研(yan)究為(wei)這種趨勢(shi)的(de)(de)(de)可行性(xing)提供了初步探索。
【1 】 涂料工業,2010.6
【2 】 新型建筑材料，1998.10
【3 】 www.woellner.com.cn
【4 】 江(jiang)雷, 馮琳. 仿生智能納米界面(mian)材料【M 】. 北(bei)京(jing)：化學工業出版社,2007.