耐沾污性建筑外墙涂料的理论研究及现状
2011-07-20 11:18:44
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关键词：耐沾污；荷叶效应；自分层技术；微粉化技术；光催化效应
1.涂膜污染的原因
外墙涂料在使用的环境中，涂膜时刻遭受外界各种各样的污染。首先，大气中存在各种尘埃，飘浮着带有油性的烟雾；其次，随着我国工业的发展和家庭汽车的普及，排放的废气中含大量的污染物，这些污染物通过多种渠道和形式污染外墙涂层。归纳起来大致原因如下：
1.1粘附
一般而言，建筑外墙涂料的成膜基料（聚合物）为热塑性，玻璃化转变温度（Tg）一般为20℃左右，所以1年中有相当长的时间其涂膜温度处于Tg以上，涂层受热变软发粘而沾灰，或是涂层受雨水浸泡而软化，软化后的聚合物更容易粘附空气中的污染物。
1.2吸附
涂膜会因吸附灰尘而被污染。虽然涂膜属低能表面（临界表面张力约为50mN/m左右），吸附作用并不严重，但在一定的气候条件下涂膜易产生静电，特别在秋冬季节，空气干燥，一旦遇到相反电荷的微粒，相互吸引，形成污染。
1.3吸尘
从微观上看，涂膜表面凹凸不平，存在孔隙，细小的尘埃溶解或分散在雨水中形成胶体，通过涂膜的吸水性，进入涂膜毛细孔，水分蒸发后尘埃留在毛细孔内，沉积在涂膜表面，从而对涂膜造成永久性的污染。总之，涂膜的污染可以分为附着性污染和吸入性污染2种。前者指的是灰尘等污染物附着在涂膜的表面，而后者是指污染物在附着的基础上进入到涂膜的内部，相对于附着性污染，吸入性污染更难去除，涂膜的沾污通常是2种情况都包括。因此，提高涂膜的耐沾污性主要是通过改善涂膜的表面性能使污染物难以吸附并容易除去，以及提高涂膜的致密性使污染物不易渗入2个途径。
2.提高涂膜耐沾污性的措施
涂膜性能由涂料的组成和结构决定，并受外界条件的影响。因此，提高涂料耐沾污性需根据涂膜被沾污的机理，从涂料的组成和结构两方面进行探讨。
2.1提高玻璃化转变温度（Tg）
涂料中的成膜基料一般为热塑性聚合物，涂膜表面粘度和硬度取决于聚合物的Tg，故涂料中聚合物Tg的高低是影响涂膜耐沾污性的最重要因素。
聚合物的__Tg过低，涂层易高温返粘、易沾尘，造成装饰效果降低；聚合物Tg过高，在常温下涂料不能有效地成膜，对施工不利，所以，聚合物玻璃化温度的大小对于涂膜耐沾污性和施工性是一对矛盾，配制涂料时，必须选择具有合适玻璃化温度的聚合物乳液。我国早期外墙建筑涂料用聚合物乳液的Tg一般在15~25℃，而日本产品一般选用Tg在30~40℃的乳液作为成膜基料，可以明显改善涂膜的耐沾污性，但涂料的成膜温度提高。为解决涂膜的耐沾污性跟涂料成膜性之间的矛盾，研究工作者采用核/壳乳液聚合、无皂乳液聚合及乳液互穿聚合物网络（LIPN）等较为先进的乳液合成方法，制备耐沾污性能较为优良的乳液体系。核/壳型乳液制得的乳胶涂料抗回粘性好，最低成膜温度低；无皂乳液聚合可以消除乳化剂带来的负面影响，提高涂膜性能，需解决的是提高乳液的稳定性和固含量等问题；LIPN技术类似核壳乳液聚合，所不同的是网络自身也有一定程度的交联，核/壳间聚合物链可在相当宽的范围内相互贯穿，使其在抗震、防水等方面表现出优异性能，满足长期使用要求。新的乳液聚合技术极大地提高了乳液的性能，促进了高性能外墙涂料的发展。
2.2降低涂膜表面张力
涂膜吸水性是造成涂膜被污染的重要原因之一。降低涂膜表面张力，就能降低涂膜的吸水性，降低涂膜对污染物的吸附性，从而提高其耐沾污性。近年来，市场上出现的低表面能涂料，通过提供疏水的表面涂层来实现防污目的。开发的有机硅改性丙烯酸酯乳液为基料的外墙乳胶涂料，因其含有有机硅成分，涂膜表面张力较低，具有极好的耐候性和耐沾污性。另外，最近市场上还出现多种耐沾污性涂料助剂，其主要是各种界面剂，例如超疏水性界面剂和耐沾污剂等。这些助剂本身的表面能很低，且不溶于水，涂料涂装后仍以微细粒子存在于涂膜中，赋予涂膜疏水性，污染物既不会以水作为吸附介质而吸附于涂膜中，也不会粘附于涂膜表面，提高了涂膜的耐沾污性能。疏水性的界面剂既使涂膜产生斥水性，还会使涂膜结构更为致密而提高涂膜的耐冻融性，进而提高涂料的耐老化性。但是疏水助剂的时效性较短，长则一两年，短则几个月。
2.3提高涂膜的致密性
从微观上看，涂膜含有大量的微孔，且表面比较粗糙，呈现出凹凸不平。空气中的尘埃在重力的作用下容易沉积其中，对涂层色彩产生不同程度的遮盖，下雨时，尘埃会随同雨水在毛细作用下侵入涂层，水分蒸发后，尘埃微粒继续留存于微孔内，这将会对涂膜的装饰效果产生“致命”的影响。因此，提高涂膜的致密度是改善涂膜耐沾污性的一个重要途径。可采取以下措施：
（1）设置适当的颜料体积浓度（PVC）
涂料是一个由有机聚合物和无机颜填料组成的复合材料体系，颜料体积浓度（PVC）是支配该体系性能的重要参数，在涂料体系中选择合适的PVC才能使涂料具有最佳的性能，一般，涂料的PVC略小于其临界颜料体积浓度（CPVC）时涂料有较好的性能。当PVC过低时，高温回粘现象将会变得严重；相反，当PVC过高时，涂膜的玻璃化温度会相应提高，高温回粘现象减轻，但是涂层的致密性变差，孔隙率增加，其涂层的耐污性变差。因而，从耐沾污性能来说涂料的PVC值以略低于其CPVC值最为合适。
（2）使用遮盖性聚合物
遮盖性聚合物是不能成膜的聚合物乳液，具有球状中空结构，球的外壳是玻璃化温度很高的聚合物，颗粒很细，平均粒径为0.4~1.0μm，可提高涂料的综合性能。
其提高涂料耐沾污性能的机理如下：对于PVC低于CPVC的涂料体系，聚合物含量较大，颜料、填料分散于软而粘的聚合物之中，造成尘埃颗粒容易粘附于涂膜上，加入部分遮盖聚合物，在干燥成膜后遮盖聚合物分布在涂膜中，使涂膜的硬度提高，从而改善涂膜的耐沾污性能；对于PVC高于CPVC的涂料体系，颜填料的含量较高，涂膜中颜、填料之间的空隙较大，粒径通常为5~30μm的尘埃易吸附于其中且不容易被清除，加入球形且粒径很小的遮盖聚合物后，可填充在颜、填料之间的空隙中，涂膜致密性提高，使尘埃难以被吸附于涂膜中。因而，无论PVC低于CPVC的涂料体系，还是PVC高于CPVC的涂料体系，遮蔽型聚合物微球的加入都会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，而不影响涂层的综合性能。__
（3）硅溶胶的使用
硅溶胶胶体颗粒比较细微，粒径一般在5~40nm之间，易于渗透，具有增强涂膜对基层的附着力和填充涂膜中孔隙的作用，成膜之后的结构非常致密坚硬，间隙极小，尘埃粒子不易侵入其间，使涂料的性能提高。很多涂料配方也证明了这一点。
2.4使用纳米技术
使用纳米材料可以制成耐沾污性能良好的外墙涂料。例如，某涂料利用纳米材料的疏水性、对紫外线的反射特性和氟碳乳液中氟碳链的耐化学性好，能够抵御光催化的氧化还原作用，使二者优势互补，得到新型水性高性能氟碳涂料。该涂料涂膜的微观结构有排列整齐的微孔，这些微孔在光合作用下会产生高活性羟基及电子空穴团，能够将污染物分解成H2O和CO2，易被雨水冲刷干净，具有良好的耐沾污性和自洁性。随着超细粉料和纳米级颜填料的快速发展，为提高建筑乳胶涂料的耐沾污性提供了更多的原料来源。利用纳米材料的优良性能，加强其在
