超疏水、自清洁涂层对建筑墙体的防护

陈家祥 蒋欢 王光耀

0 引言

在工业化发展速度持续加快的背景下，我国空气污染问题越加严重，建筑外墙长时间暴露于恶劣环境中，导致墙体外观遭受严重污染，表面附着各种污染无法顺利清除，为此需要加强建筑墙体防护处理，提高墙体污染防护和自清洁能力。超疏水、自清洁涂层因其自身表层所存在的特殊润湿性，可以有效利用外力对玻璃表层和建筑表层分布的污水、粉尘进行全面清除，促进墙体表层维持整洁、美观，延长建筑墙体应用寿命。

1 建筑墙体防护发展分析

1.1 建筑墙体防护现状

现代化背景下，环境问题逐渐成为整个社会关注重点，环境污染对于建筑外观的影响也成为相关专家学者的重点研究内容。通常情况下，对建筑墙体进行防护时普遍采取建筑墙体粉饰操作，主要功能包括美化、防护功能，粉饰材料主要是水泥漆、面漆、腻子粉。在进行施工时首先应用具备良好柔韧性、耐候性等性质的石膏泥灰、混凝土等材料针对建筑水泥内外墙墙面实施有效修补和维护，随后利用腻子粉对整个墙体表层进行有效修饰，将被涂物体表层高低不平问题彻底解决，最后进行上漆操作，从而获得较为光滑、美观的建筑外观。但在环境问题持续恶化背景下，比如风化侵蚀、酸雨、雾霾等自然灾害事故的频繁出现，该种方法已经无法满足新时期建筑墙体外观的防护要求，不能发挥出良好的墙体防护功能。随着无机污染物以及有机污染物的持续增加，容易导致污染物黏附于墙体表层，无法顺利清除。不但会影响建筑整体清洁度和美观性，更为严重的是各种形式的污染物容易导致墙体外观出现腐烂现象，出现各种丑陋黑点，这种黑色斑点会使墙体表层防护性能进一步恶化，严重威胁到墙体的使用寿命。

1.2 新型超疏水

基于上述条件下，建筑墙体表层防护成为重点研究内容。主要解决手段之一便是合理应用各种新型材料将整个墙体表层全面覆盖。比如部分研究学者提出利用溶胶、凝胶方法制备氧化硅和氧化铜融合的纳米复合材料充当保护材料。应用溶胶、凝胶法把正硅酸乙酯前驱体、酸催化对应四异丙醇以及聚二甲基硅氧烷进行充分混合，制作新型混合材料，加强保护性能。通过PDMS 制作商业基准涂料，相关涂料能够充当持久疏水涂层，应用到花岗岩表层可以有效控制风化侵蚀问题。通过纳米羟基磷灰石以及TEOS 等复合材料进行保护材料制作，促进氧化硅相关纳米粒子和含氟聚乳酸共聚物进行充分混合，构成可逆疏水涂层，能够针对建筑材料以及石材进行有效保护。上述方法主要通过调节材料表层湿润性，使涂层从最开始的亲水材料转化为疏水材料，提升建筑墙体保护力度，但整体自清洁性能相对不足。根据荷叶自身出淤泥而不染这一特性的启示，进一步提出超疏水涂层理念。创新超疏水涂层设计不但能够对墙体表层进行有效保护，同时还具有较高自清洁效果。在建筑墙体表层被污染后，水会进一步加快墙体表层污垢冲刷。即在墙体表层合理覆盖超疏水土层，即便墙体存在污渍，也能够利用雨水冲刷以及水洗操作变得更加清洁干净，拥有良好的自清洁效果，控制劳动成本，节约墙体维护费用。

2 超疏水涂层制备研究

基于TEOS 基溶胶以及凝胶合理添加羟基PDMS，可制备具有良好抗冲蚀能力的自清洁涂层，促进溶胶法、凝胶法和水热法全面融合，顺利制备氧化硅胶体悬浮液。同时，基于表面活性剂，把氧化硅纳米粒子添加到无机以及有机氧化硅低聚混合物内，可顺利制备致密颗粒涂层。由此可见，超疏水涂层具体制备工作主要利用溶胶、凝胶法进行制取，但材料制备中会产生下列问题：第一是溶胶、凝胶环节耗时较长，第二是凝胶干燥中会释放气体，和其他有机物混合产生微孔问题，使整个涂层出现收缩裂缝，扩大实际应用难度。针对上述问题，此次研究中通过疏水氧化硅纳米粒子以及PDMS 制备相应的自清洁涂层，能够发挥出良好的墙体保护功能，提高墙体外观防护能力。经过实验分析，研究样品表层润湿性，比较喷涂前后试验品元素变化，系统介绍建筑墙体和涂层结合机制，研究墙壁附着污染物的实际清洗状况和清洗效果。除此之外，于室外场地进行放置试验，探究自清洗性能成效的时间变化状况。

2.1 原材料

实验中主要原材料包括甲苯分析纯，PDMS 和固化剂，疏水型氧化硅（粒径在16～25nm 之间），1 000m 砂纸，通过水泥漆、面漆或腻子粉制作的建筑墙体。腻子粉具体组成成分主要包括滑石粉、重碳酸钙；面漆、水泥漆主要成分包括助剂、填料以及树脂和对应固化剂等成分。

2.2 试验步骤

选择定量氧化硅离子分散融入10mm 甲苯溶剂内，实施30分钟的超声处理后，利用机械搅拌方法，把PDMS 以及固化剂按照10∶1 的质量比进行均匀混合，随后添加到甲苯、氧化硅混合融合内，进行30min 的磁力搅拌。应用喷枪把制备后的混合溶液均匀喷涂于建筑墙体表层，具体处理时间是3s，距离是30cm，处于室温状态下进行1h 固化处理。

2.3 性能检测

处于22～24℃的室温状态下，利用接触测量装置针对样片表层湿润性实施准确测量。接触角对应测量数值是样品中任意五个点的测量平均值。SEM 观测样品表层形貌，加速电压设置为25Kv。除此之外，因为样品整体导电性较差，在开始实施测试工作前，需要实施全面喷金处理。低真空模式下，0.6Torr压力以及25Kv 加速电压，应用EDX 测量实施喷涂处理后对应样品表面前后变化。

2.4 结果分析

观察建筑墙体表层在超疏水、自清洁涂层施工处理前后的具体表征状况，该涂层内PDMS 以及氧化硅纳米粒子两者质量比是1∶0.1。分析相关照片和光学显微图像可以发现，建筑墙体在喷涂涂层前后并没有明显变化，同时利用显微镜放大观察，依然无法发现其中区别。为此，可以通过对样品表层润湿性进行研究，准确辨别涂层存在。主要参考依据是材料表层润湿性，这也是材料自身固定属性，其会受到材料自身表层自由能等因素的影响，同时还会受到材料表层微观连接结构以及表层粗糙度的影响。为此，处于理想状态下各种材料表层润湿性存在一定差异。对于同样材料，随着表层粗糙度的改变，则表层润湿性也产生明显变化，表层润湿性主要可以通过表面接触角测量进行准确判断。为此利用接触角测量装置可以对样品表层接触角进行合理测量，墙体表层接触角是47.3°，呈现出明显的亲水性特征。通过分析发现，在墙体表层和实施喷涂处理后，则表层接触角进一步扩大到152.1°。为此，进一步推测墙体表面存在黏附涂层，使其表层润湿性得到明显改善。

为进一步验证相关推测，对墙体表层形态变化进行直观认识和了解，应用电子扫描显微镜检测样品表层，通过对比分析后发现，涂料喷涂前后，对应墙体表层形貌产生直接变化，正式喷涂前，墙体表层存在各种不规则微米级块体，整体分布不均。块体间存在巨大空隙和较大落差。涂层覆盖后，块状物以及对应空隙会被溶液内的PDMS 以及氧化硅纳米粒子实施充分覆盖、填充，使墙体原本粗糙的表层变得更加平整、光滑，涂层分布均匀。进而从微观视角解析了涂层的存在，体现出建筑墙体表层润湿性主要受到涂层影响而发生变化。

为对涂层进行深入解析，准确把握相关元素变化状况，针对墙体喷涂前后实施EDX 分析。发现在喷涂自清洁涂层后，墙体表层组成元素产生明显变化。开始喷涂前，墙体表层拥有较高的钙元素含量，至于喷涂后，对应墙体表层硅元素含量进一步提高，因为涂层进一步覆盖墙体表层，使检测表面核心组成元素为氧化硅纳米粒子以及PDMS。由此判断，墙体表层所形成的润湿性变化从最初的亲水转化为超疏水状态，主要通过PDMS 以及氧化硅纳米粒子所影响决定。除此之外，甲苯作为某种挥发性液体，应用到具体实验环节中，能够对氧化硅纳米粒子以及PDMS 纳米粒子进行有效溶解，使其均匀分散开来，于实际喷涂中顺利挥发至空气内。由此判断，甲苯对涂层整体润湿性不存在太大影响。此次研究中进一步分析了喷涂剂内氧化硅纳米粒子以及PDMS 含量对于墙体表层润湿性所形成的影响。相关实验结果分析，发现墙体表层润湿性主要会受到喷涂剂内氧化硅纳米粒子以及PDMS 等物质含量的影响。墙体材料表层固定，为此材料表层接触角一致。按照相关理论分析，可以进一步了解到，仅应用PDMS 甲苯混合溶剂所形成涂层，对应表面较为平整光滑，表层粗糙度接近1，此外PDMS 表层固定，所以表观接触角一致，随着PDMS 容量扩大，涂层表面润湿性未产生任何变化，整体接触角依然维持在108°左右，属于PDMS 本征接触角，体现出弱疏水性。相关涂层能够对建筑墙体表层进行有效覆盖，发挥出建筑墙体保护功能，调整墙体表层润湿性，从最初亲水性转化成疏水性特征，但无法顺利实现超疏水目标，影响涂料自清洁综合水平。为此可以将氧化硅添加到PDMS 混合溶液内，改善调整涂层表面粗糙度，调节涂层表面整体润湿度。在PDMS 含量固定条件下，对应表观接触角超出90°，也是疏水性低于零。在氧化硅容量持续扩大条件下，涂层整体粗糙度相继增加，表观接触角超出固定接触角，表面涂层呈现出良好疏水性特征。同理，通过PDMS 以及氧化硅制作形成的混合溶液，形成良好疏水土层，对应表观接触角超出90°。内部二氧化硅容量固定条件下，使PDMS 含量进一步扩大，使某些二氧化硅被PDMS 所覆盖，导致涂层表面粗糙度进一步下降，表层润湿性降低。单纯喷涂二氧化硅和甲苯混合溶液，可以调整墙体润湿度，在二氧化硅含量持续扩大条件下，墙体表层疏水性能进一步增强，但在二氧化硅含量达到既定值后，即喷涂溶液内仅存在氧化硅纳米离子，不存在PDMS条件下，墙体表层便会出现各种裂纹，容易产生墙体表层脱落现象，丧失疏水能力，进而判断PDMS 在涂层应用中的黏附作用和成膜作用，使得涂层黏附于墙体表层，促进涂层成膜，避免出现裂纹。

3 超疏水涂层应用研究

一般条件下，超疏水涂层能够在物体表层进行粘结，包含机械结合以及物理吸附作用。此次研究样本墙体表层较为粗糙、凹凸不平，拥有大小不同孔状结构，和吸收性材料类似。为此在建筑表层喷涂混合溶液后，容易导致溶液渗透于墙体内部孔和间隙当中，固化后形成楔子以及小勾子，促进两者紧密粘连。氧化硅能够借助物理吸附作用附着于碳酸钙表面，涂层内的氧化硅，建筑墙体表层成分包括碳酸钙，从某种条件下进一步扩大涂层对整个墙体黏附能力。

除此之外，通过实验测试建筑墙体表面涂层水滴落下的运动状况，将水滴在样本表层进行垂直滴落，可以发现水滴展现为圆球状，在接触中顺着样品倾斜角快速滚落。相关研究结果证明，涂层覆盖到建筑墙体表层后进一步提升整体超疏水性能。建筑墙体表层容易受到液态以及颗粒污染物黏附，降低表层清洁度，同时墙体表层黏附的液态污染物以及颗粒污染物无法顺利去除。此次实验中，应用炭黑粉末对颗粒污染物进行合理模拟，应用水和炭黑粉末对液态污染物进行科学模拟，在原始建筑墙体表层涂抹炭黑粉末，在涂层覆盖墙体涂抹相同炭黑粉末，通过分析发现原始建筑墙体表层容易产生炭黑粉末黏附，无法通过去离子水对污染区附着污渍进行有效去除，覆盖涂层墙体表层即便存在黏附颗粒污染物质，也可以通过去离子水顺利清除。

墙体表面喷洒液体污染物，在涂层覆盖建筑墙体表层滴落液态污染物，可以发现没有覆盖涂层的墙体容易受到液态污染物的影响和污染，同时无法用水彻底清除。存在涂层覆盖的建筑墙体表层很难附着液态污染物，因为涂层覆盖于墙体表层可以进一步构成超疏水层，涂层表面在掉落液态污染物后便会构成某种圆球状，直接滚落下来，不会在涂层表面黏附。由此能够看出超疏水涂层使建筑墙体表层抗污能力进一步增强，能够有效抵御各种颗粒污染物和液态污染物，提升了墙体防污性能，分析具体原因主要是因为涂层自身的超疏水特性。

深入验证涂层具体使用范围，将自清洁、超疏水涂料洒在真石漆表层，可以发现建筑真石漆表层覆盖涂层后，增加了液态污染物质在建筑表层的附着难度，拥有较高的超疏水性能。同时不会因为表层过于粗糙以及起伏变化影响涂层整体疏水性。所以相关涂层拥有较高适用性，对于基地表层形貌没有过高要求。

涂层凭借其自身稳定的超疏水效果，可以对涂层应用寿命进行准确检验，把涂层覆盖的建筑墙体置于户外，检测建筑墙体每月表层接触角变化对涂层整体稳定性进行准确判断。通过分析发现覆盖涂层后，建筑墙体在外部环境中经过五个月后，表层并未产生明显变化。通过分析发现，随着时间流逝，涂层对应接触角相对降低，但整体依然能够超出150°，拥有超疏水特性。所以对应涂层的气候适应性较好，防护效果较为稳定，能够对建筑墙体表层实施长期保护，预防环境污染，具有较高实用价值。涂层材料内，二氧化硅以及PDMS 含量会影响建筑墙体整体润湿性，比如PDMS 粘合剂影响下，二氧化硅的有效应用能够进一步增强墙体表层疏水性，改善建筑墙体整体防污能力，此外，在材料内部二氧化硅达到限定值后，会导致涂层出现严重裂纹，由于建筑墙体和涂层之间的黏附本质上属于物理吸附以及机械结合，因此应严格控制二氧化硅的使用量。

4 结语

综上所述，通过疏水氧化硅、聚二甲基硅氧烷作为基础原材料制作超疏水、自清洁涂层，随后将其在墙体中进行全面喷涂，结合温室固化，形成拥有良好自清洁效能涂层。涂层和墙体之间的黏附作用较强，因为涂层自身超疏水特征，表面附着的液体以及颗粒方便利用水流进行直接清除。相关试验证明，在涂层在户外环境应用五个月后依然保持良好自清洁效果。