超疏水、自清潔涂層對建筑墻體的防護

陳家祥 蔣歡 王光耀

0 引言

在工業化發展速度持續加快的背景下，我國空氣污染問題越加嚴重，建筑外墻長時間暴露于惡劣環境中，導致墻體外觀遭受嚴重污染，表面附著各種污染無法順利清除，為此需要加強建筑墻體防護處理，提高墻體污染防護和自清潔能力。超疏水、自清潔涂層因其自身表層所存在的特殊潤濕性，可以有效利用外力對玻璃表層和建筑表層分布的污水、粉塵進行全面清除，促進墻體表層維持整潔、美觀，延長建筑墻體應用壽命。

1 建筑墻體防護發展分析

1.1 建筑墻體防護現狀

現代化背景下，環境問題逐漸成為整個社會關注重點，環境污染對于建筑外觀的影響也成為相關專家學者的重點研究內容。通常情況下，對建筑墻體進行防護時普遍采取建筑墻體粉飾操作，主要功能包括美化、防護功能，粉飾材料主要是水泥漆、面漆、膩子粉。在進行施工時首先應用具備良好柔韌性、耐候性等性質的石膏泥灰、混凝土等材料針對建筑水泥內外墻墻面實施有效修補和維護，隨后利用膩子粉對整個墻體表層進行有效修飾，將被涂物體表層高低不平問題徹底解決，最后進行上漆操作，從而獲得較為光滑、美觀的建筑外觀。但在環境問題持續惡化背景下，比如風化侵蝕、酸雨、霧霾等自然災害事故的頻繁出現，該種方法已經無法滿足新時期建筑墻體外觀的防護要求，不能發揮出良好的墻體防護功能。隨著無機污染物以及有機污染物的持續增加，容易導致污染物黏附于墻體表層，無法順利清除。不但會影響建筑整體清潔度和美觀性，更為嚴重的是各種形式的污染物容易導致墻體外觀出現腐爛現象，出現各種丑陋黑點，這種黑色斑點會使墻體表層防護性能進一步惡化，嚴重威脅到墻體的使用壽命。

1.2 新型超疏水

基于上述條件下，建筑墻體表層防護成為重點研究內容。主要解決手段之一便是合理應用各種新型材料將整個墻體表層全面覆蓋。比如部分研究學者提出利用溶膠、凝膠方法制備氧化硅和氧化銅融合的納米復合材料充當保護材料。應用溶膠、凝膠法把正硅酸乙酯前驅體、酸催化對應四異丙醇以及聚二甲基硅氧烷進行充分混合，制作新型混合材料，加強保護性能。通過PDMS 制作商業基準涂料，相關涂料能夠充當持久疏水涂層，應用到花崗巖表層可以有效控制風化侵蝕問題。通過納米羥基磷灰石以及TEOS 等復合材料進行保護材料制作，促進氧化硅相關納米粒子和含氟聚乳酸共聚物進行充分混合，構成可逆疏水涂層，能夠針對建筑材料以及石材進行有效保護。上述方法主要通過調節材料表層濕潤性，使涂層從最開始的親水材料轉化為疏水材料，提升建筑墻體保護力度，但整體自清潔性能相對不足。根據荷葉自身出淤泥而不染這一特性的啟示，進一步提出超疏水涂層理念。創新超疏水涂層設計不但能夠對墻體表層進行有效保護，同時還具有較高自清潔效果。在建筑墻體表層被污染后，水會進一步加快墻體表層污垢沖刷。即在墻體表層合理覆蓋超疏水土層，即便墻體存在污漬，也能夠利用雨水沖刷以及水洗操作變得更加清潔干凈，擁有良好的自清潔效果，控制勞動成本，節約墻體維護費用。

2 超疏水涂層制備研究

基于TEOS 基溶膠以及凝膠合理添加羥基PDMS，可制備具有良好抗沖蝕能力的自清潔涂層，促進溶膠法、凝膠法和水熱法全面融合，順利制備氧化硅膠體懸浮液。同時，基于表面活性劑，把氧化硅納米粒子添加到無機以及有機氧化硅低聚混合物內，可順利制備致密顆粒涂層。由此可見，超疏水涂層具體制備工作主要利用溶膠、凝膠法進行制取，但材料制備中會產生下列問題：第一是溶膠、凝膠環節耗時較長，第二是凝膠干燥中會釋放氣體，和其他有機物混合產生微孔問題，使整個涂層出現收縮裂縫，擴大實際應用難度。針對上述問題，此次研究中通過疏水氧化硅納米粒子以及PDMS 制備相應的自清潔涂層，能夠發揮出良好的墻體保護功能，提高墻體外觀防護能力。經過實驗分析，研究樣品表層潤濕性，比較噴涂前后試驗品元素變化，系統介紹建筑墻體和涂層結合機制，研究墻壁附著污染物的實際清洗狀況和清洗效果。除此之外，于室外場地進行放置試驗，探究自清洗性能成效的時間變化狀況。

2.1 原材料

實驗中主要原材料包括甲苯分析純，PDMS 和固化劑，疏水型氧化硅（粒徑在16～25nm 之間），1 000m 砂紙，通過水泥漆、面漆或膩子粉制作的建筑墻體。膩子粉具體組成成分主要包括滑石粉、重碳酸鈣；面漆、水泥漆主要成分包括助劑、填料以及樹脂和對應固化劑等成分。

2.2 試驗步驟

選擇定量氧化硅離子分散融入10mm 甲苯溶劑內，實施30分鐘的超聲處理后，利用機械攪拌方法，把PDMS 以及固化劑按照10∶1 的質量比進行均勻混合，隨后添加到甲苯、氧化硅混合融合內，進行30min 的磁力攪拌。應用噴槍把制備后的混合溶液均勻噴涂于建筑墻體表層，具體處理時間是3s，距離是30cm，處于室溫狀態下進行1h 固化處理。

2.3 性能檢測

處于22～24℃的室溫狀態下，利用接觸測量裝置針對樣片表層濕潤性實施準確測量。接觸角對應測量數值是樣品中任意五個點的測量平均值。SEM 觀測樣品表層形貌，加速電壓設置為25Kv。除此之外，因為樣品整體導電性較差，在開始實施測試工作前，需要實施全面噴金處理。低真空模式下，0.6Torr壓力以及25Kv 加速電壓，應用EDX 測量實施噴涂處理后對應樣品表面前后變化。

2.4 結果分析

觀察建筑墻體表層在超疏水、自清潔涂層施工處理前后的具體表征狀況，該涂層內PDMS 以及氧化硅納米粒子兩者質量比是1∶0.1。分析相關照片和光學顯微圖像可以發現，建筑墻體在噴涂涂層前后并沒有明顯變化，同時利用顯微鏡放大觀察，依然無法發現其中區別。為此，可以通過對樣品表層潤濕性進行研究，準確辨別涂層存在。主要參考依據是材料表層潤濕性，這也是材料自身固定屬性，其會受到材料自身表層自由能等因素的影響，同時還會受到材料表層微觀連接結構以及表層粗糙度的影響。為此，處于理想狀態下各種材料表層潤濕性存在一定差異。對于同樣材料，隨著表層粗糙度的改變，則表層潤濕性也產生明顯變化，表層潤濕性主要可以通過表面接觸角測量進行準確判斷。為此利用接觸角測量裝置可以對樣品表層接觸角進行合理測量，墻體表層接觸角是47.3°，呈現出明顯的親水性特征。通過分析發現，在墻體表層和實施噴涂處理后，則表層接觸角進一步擴大到152.1°。為此，進一步推測墻體表面存在黏附涂層，使其表層潤濕性得到明顯改善。

為進一步驗證相關推測，對墻體表層形態變化進行直觀認識和了解，應用電子掃描顯微鏡檢測樣品表層，通過對比分析后發現，涂料噴涂前后，對應墻體表層形貌產生直接變化，正式噴涂前，墻體表層存在各種不規則微米級塊體，整體分布不均。塊體間存在巨大空隙和較大落差。涂層覆蓋后，塊狀物以及對應空隙會被溶液內的PDMS 以及氧化硅納米粒子實施充分覆蓋、填充，使墻體原本粗糙的表層變得更加平整、光滑，涂層分布均勻。進而從微觀視角解析了涂層的存在，體現出建筑墻體表層潤濕性主要受到涂層影響而發生變化。

為對涂層進行深入解析，準確把握相關元素變化狀況，針對墻體噴涂前后實施EDX 分析。發現在噴涂自清潔涂層后，墻體表層組成元素產生明顯變化。開始噴涂前，墻體表層擁有較高的鈣元素含量，至于噴涂后，對應墻體表層硅元素含量進一步提高，因為涂層進一步覆蓋墻體表層，使檢測表面核心組成元素為氧化硅納米粒子以及PDMS。由此判斷，墻體表層所形成的潤濕性變化從最初的親水轉化為超疏水狀態，主要通過PDMS 以及氧化硅納米粒子所影響決定。除此之外，甲苯作為某種揮發性液體，應用到具體實驗環節中，能夠對氧化硅納米粒子以及PDMS 納米粒子進行有效溶解，使其均勻分散開來，于實際噴涂中順利揮發至空氣內。由此判斷，甲苯對涂層整體潤濕性不存在太大影響。此次研究中進一步分析了噴涂劑內氧化硅納米粒子以及PDMS 含量對于墻體表層潤濕性所形成的影響。相關實驗結果分析，發現墻體表層潤濕性主要會受到噴涂劑內氧化硅納米粒子以及PDMS 等物質含量的影響。墻體材料表層固定，為此材料表層接觸角一致。按照相關理論分析，可以進一步了解到，僅應用PDMS 甲苯混合溶劑所形成涂層，對應表面較為平整光滑，表層粗糙度接近1，此外PDMS 表層固定，所以表觀接觸角一致，隨著PDMS 容量擴大，涂層表面潤濕性未產生任何變化，整體接觸角依然維持在108°左右，屬于PDMS 本征接觸角，體現出弱疏水性。相關涂層能夠對建筑墻體表層進行有效覆蓋，發揮出建筑墻體保護功能，調整墻體表層潤濕性，從最初親水性轉化成疏水性特征，但無法順利實現超疏水目標，影響涂料自清潔綜合水平。為此可以將氧化硅添加到PDMS 混合溶液內，改善調整涂層表面粗糙度，調節涂層表面整體潤濕度。在PDMS 含量固定條件下，對應表觀接觸角超出90°，也是疏水性低于零。在氧化硅容量持續擴大條件下，涂層整體粗糙度相繼增加，表觀接觸角超出固定接觸角，表面涂層呈現出良好疏水性特征。同理，通過PDMS 以及氧化硅制作形成的混合溶液，形成良好疏水土層，對應表觀接觸角超出90°。內部二氧化硅容量固定條件下，使PDMS 含量進一步擴大，使某些二氧化硅被PDMS 所覆蓋，導致涂層表面粗糙度進一步下降，表層潤濕性降低。單純噴涂二氧化硅和甲苯混合溶液，可以調整墻體潤濕度，在二氧化硅含量持續擴大條件下，墻體表層疏水性能進一步增強，但在二氧化硅含量達到既定值后，即噴涂溶液內僅存在氧化硅納米離子，不存在PDMS條件下，墻體表層便會出現各種裂紋，容易產生墻體表層脫落現象，喪失疏水能力，進而判斷PDMS 在涂層應用中的黏附作用和成膜作用，使得涂層黏附于墻體表層，促進涂層成膜，避免出現裂紋。

3 超疏水涂層應用研究

一般條件下，超疏水涂層能夠在物體表層進行粘結，包含機械結合以及物理吸附作用。此次研究樣本墻體表層較為粗糙、凹凸不平，擁有大小不同孔狀結構，和吸收性材料類似。為此在建筑表層噴涂混合溶液后，容易導致溶液滲透于墻體內部孔和間隙當中，固化后形成楔子以及小勾子，促進兩者緊密粘連。氧化硅能夠借助物理吸附作用附著于碳酸鈣表面，涂層內的氧化硅，建筑墻體表層成分包括碳酸鈣，從某種條件下進一步擴大涂層對整個墻體黏附能力。

除此之外，通過實驗測試建筑墻體表面涂層水滴落下的運動狀況，將水滴在樣本表層進行垂直滴落，可以發現水滴展現為圓球狀，在接觸中順著樣品傾斜角快速滾落。相關研究結果證明，涂層覆蓋到建筑墻體表層后進一步提升整體超疏水性能。建筑墻體表層容易受到液態以及顆粒污染物黏附，降低表層清潔度，同時墻體表層黏附的液態污染物以及顆粒污染物無法順利去除。此次實驗中，應用炭黑粉末對顆粒污染物進行合理模擬，應用水和炭黑粉末對液態污染物進行科學模擬，在原始建筑墻體表層涂抹炭黑粉末，在涂層覆蓋墻體涂抹相同炭黑粉末，通過分析發現原始建筑墻體表層容易產生炭黑粉末黏附，無法通過去離子水對污染區附著污漬進行有效去除，覆蓋涂層墻體表層即便存在黏附顆粒污染物質，也可以通過去離子水順利清除。

墻體表面噴灑液體污染物，在涂層覆蓋建筑墻體表層滴落液態污染物，可以發現沒有覆蓋涂層的墻體容易受到液態污染物的影響和污染，同時無法用水徹底清除。存在涂層覆蓋的建筑墻體表層很難附著液態污染物，因為涂層覆蓋于墻體表層可以進一步構成超疏水層，涂層表面在掉落液態污染物后便會構成某種圓球狀，直接滾落下來，不會在涂層表面黏附。由此能夠看出超疏水涂層使建筑墻體表層抗污能力進一步增強，能夠有效抵御各種顆粒污染物和液態污染物，提升了墻體防污性能，分析具體原因主要是因為涂層自身的超疏水特性。

深入驗證涂層具體使用范圍，將自清潔、超疏水涂料灑在真石漆表層，可以發現建筑真石漆表層覆蓋涂層后，增加了液態污染物質在建筑表層的附著難度，擁有較高的超疏水性能。同時不會因為表層過于粗糙以及起伏變化影響涂層整體疏水性。所以相關涂層擁有較高適用性，對于基地表層形貌沒有過高要求。

涂層憑借其自身穩定的超疏水效果，可以對涂層應用壽命進行準確檢驗，把涂層覆蓋的建筑墻體置于戶外，檢測建筑墻體每月表層接觸角變化對涂層整體穩定性進行準確判斷。通過分析發現覆蓋涂層后，建筑墻體在外部環境中經過五個月后，表層并未產生明顯變化。通過分析發現，隨著時間流逝，涂層對應接觸角相對降低，但整體依然能夠超出150°，擁有超疏水特性。所以對應涂層的氣候適應性較好，防護效果較為穩定，能夠對建筑墻體表層實施長期保護，預防環境污染，具有較高實用價值。涂層材料內，二氧化硅以及PDMS 含量會影響建筑墻體整體潤濕性，比如PDMS 粘合劑影響下，二氧化硅的有效應用能夠進一步增強墻體表層疏水性，改善建筑墻體整體防污能力，此外，在材料內部二氧化硅達到限定值后，會導致涂層出現嚴重裂紋，由于建筑墻體和涂層之間的黏附本質上屬于物理吸附以及機械結合，因此應嚴格控制二氧化硅的使用量。

4 結語

綜上所述，通過疏水氧化硅、聚二甲基硅氧烷作為基礎原材料制作超疏水、自清潔涂層，隨后將其在墻體中進行全面噴涂，結合溫室固化，形成擁有良好自清潔效能涂層。涂層和墻體之間的黏附作用較強，因為涂層自身超疏水特征，表面附著的液體以及顆粒方便利用水流進行直接清除。相關試驗證明，在涂層在戶外環境應用五個月后依然保持良好自清潔效果。