構建更明亮的建筑外觀

　　Lenine de Sousa Gomes，Wacker Chemie AG公司

　　已開發出了一種新型雜化基料，在基料中二氧化硅顆粒相比以前技術，分布為均勻。這種基料夠降低沾污性，同時提高曝露時的保色性。同時還可減少可溶性組分的滲出，這種組分的滲出會導致起霜和“蝸牛痕”現象。

　　基料的選擇在確定所生產的涂料和涂料配方的性質和功能性（從耐沾污性到耐久性以及最終產品的整體外觀）方面起著關鍵作用。由Wacker公司的化學小組研發的一種新型分散體，通過將有機材料和礦物材料的性能相結合，得到了最理想的結果。

　　這種基料對顏料的穩定性極高，能夠使色彩鮮艷的外墻涂料更持久地保持其顏色，并且不容易褪色。采用新型基料配制的涂料還能減少外墻表面的沾污量，并且能夠減少甚至消除墻面上的“蝸牛痕”現象（由于組分的滲出而造成）。

　　結果一覽

　　→開發了一類雜化基料，將有無機材料（通常是二氧化硅）和有機乳液基料結合在一起，從而提高了硬度，同時仍很容易聚結成膜。但是，二氧化硅顆粒的絮凝可能會造成一系列問題，親水性會增加，還會產生到開裂。

　　→已經研發了一種新型雜化基料，其中，利用硅烷使丙烯酸聚合物帶有官能團，與細的硅溶膠顆粒相結合，因此確保其均勻分布，極不易發生絮凝。

　　→曝露試驗表明，與標準乳液基料相比，新型基料的耐沾污性更好，并且可以提高保色性。

　　→當涂料中的可溶性成分在潮濕的條件下滲出時，會出現了另一種被稱為“蝸牛痕”現象的外觀問題。通過幾次試驗證實：新型基料會減少滲出現象和涂料表面上起霜鹽的形成。

　　色彩持續能為墻面增光添彩

　　外墻涂料旨在保護建筑物免受戶外的影響，如：寒冷、高溫、雨水、冰以及UV輻射。同時，它還是一種設計要素，通過增加顏色、形狀或表面的細節，為建筑物的墻壁增添視覺魅力。隨著20世紀80年代后現代建筑的興起，越來越多的建筑師變得有勇氣去探索明亮的色彩。

　　顏色和表面紋理將外墻涂料變成了一種設計要素，決定了單個建筑和整個地區的外觀。例如，一提到瑞典時，大多數人都會聯想到紅色的木結構建筑，而中歐的巴洛克建筑則以明亮柔和的色彩聞名，巴黎的舊城區則采用香檳色的含沙灰漿進行裝飾。

　　彩色外墻的主要問題是隨著時間的推移，明亮的彩色涂料往往會褪色。由于天氣影響，墻面涂料經常會失光。涂料配方設計的一個關鍵要素是基料的選擇，使涂料形成耐久的防護膜，并能使涂料快速固化，同時保持彈性和柔韌性。此外，顏填料需要通過適當的基料進行粘結，使外墻面長期保持其外觀。因此開發了一種新型基料體系“Primis AF1000”，旨在使涂料能長久保持色彩。該分散體能有效地穩定涂料中的顏料，使得外墻在多年后仍能保持外觀，沾污程度低，同時能避免“蝸牛痕”現象。

　　雜化基料能使二氧化硅分布更均勻

　　雜化基料結合了有機成分和礦物質成分，通過硅烷化學使基料呈現出一種全新的性能。這是一種具有兩相結構的水性聚合物分散體，其中一相是丙烯酸酯共聚物，另一相是硅溶膠顆粒（見圖1）。無機二氧化硅通常硬度高，具有良好的熱穩定性和UV穩定性。因此，使涂料具有較低的粘連性，耐沾污性和保色性良好。有機聚合物相是丙烯酸酯，具有基料的常規功能，表現出對基材優異的附著力和很高的內聚力，同時具有柔韌性、良好的機械性能和疏水性。

圖1 聚合物顆粒“Primis AF1000”的示意模型圖，以二氧化硅為核，有機層為殼，有機層中帶有硅烷基團（黃色點）和表面活性劑（紅色點），使基料具有獨特的性能。

　　建筑行業將有機組分和無機組分混合使用已有一段時間了。這可以通過不同的方式實現。有時，礦物顆粒可簡單地混合到有機分散體中，或通過乳液聚合實現微膠囊化（見圖2）。但僅憑這兩種技術幾乎不能使二氧化硅充分均化到聚合物相中。均化程度差會導致分散體出現儲存穩定性問題，而且由于二氧化硅的絮凝作用，會使涂料出現開裂，并且導致涂料的吸水性高。分散體中絮凝的二氧化硅會形成較大的二氧化硅團塊，一旦分散體干燥后，就會分布在聚合物膜中。在這種情況下，由于二氧化硅團塊與其周圍的聚合物顆粒之間內應力的差異，整個聚合物膜很容易出現開裂。

圖2 將有機和無機成分組合的示意圖。上－硅溶膠與聚合物分散體的混合；中－采用乳液聚合實現膠囊化；下－采用活性有機聚合物處理硅溶膠表面的新型復合技術

　　另一個問題是如果二氧化硅在聚合物相中分散不好，那么將不會受到保護，并且它的親水性也會使水能夠很容易地透過聚合物膜，從而增加水的吸收。這些現象也可推演到涂料。新型基料的研發工藝能使二氧化硅極其均勻地分散在聚合物相中（見圖2）。在這種經礦化后的基料中，利用硅烷使丙烯酸聚合物帶有官能團，這些官能團反過來又可與二氧化硅發生反應。通過這種方式，礦物組分和有機組分就能以一種受控的方式發生化學鍵合，防止二氧化硅顆粒發生絮凝。與采用傳統復合基料制備同種涂料相比，透射電子顯微鏡（TEM）圖片清晰地顯示出了二氧化硅是如何更均勻地分散在整個涂料中的（見圖3）。

圖3 用標準復合基料（左）和新型基料（右）配制的涂料對比。標準涂料中的二氧化硅顆粒更容易發生絮凝現象

　　曝露試驗顯示沾污性大大降低

　　礦化后的分散體導熱性高，使得涂料和外墻表面快速干燥。基料除了具有理想的屏蔽性能外，還會減少涂料對沾污物的吸附量。熱塑性是傳統丙烯酸酯分散體的特征之一，但在熱的環境中，會導致外墻表面快速吸附污染物。但新型基料技術在表面硬度較高的同時，還具有良好的彈性，由于污染物顆粒很難吸附在表面，從而阻止污染的形成。在不同的地區，使用該基料進行多次戶外耐候性試驗，例如在阿拉伯聯合酋長國迪拜的公司技術中心。

　　圖4證明了與采用傳統聚合物基料（苯乙烯丙烯酸/醋酸乙烯酯/VeoVa基料）的同種涂料相比，采用新型基料的白色和彩色外墻涂料是如何展現其性能的。該涂料包含32％的基料（固體分50％）和18％的二氧化鈦（顏料體積濃度（PVC）約為47％）。

圖4 在阿拉伯聯合酋長國（60°SE/迪拜）的戶外耐候性試驗站進行的采用新型基料的涂料和采用苯丙和醋酸乙烯酯/VeoVa基料的標準分散體涂料的耐沾污試驗

　　在迪拜以陽光入射角60°，面向東南方向進行為期一年的曝曬試驗后發現，新型復合基料的沾污性明顯更低。為進行該試驗，灰漿下面用了一道表面粗糙的底漆，以使得該試驗更具有挑戰性。試驗后在試板上觀察到的沙子是來自眾所周知的迪拜沙塵暴。

　　可提高顏料的穩定性

　　將顏料混合到外墻涂料中，以便為住房或其他建筑物的外墻增添豐富、鮮艷的顏色。盡管眾所周知有機顏料的顏色色調種類豐富，但它們并不總是特別穩定，特別是曝露在UV輻射下的時候。

　　因此，由于陽光和天氣的影響，它們會隨著時間的推移而褪色，而且變得暗淡。相比之下，無機顏料能更好地耐戶外條件，但沒有有機顏料那么多種類的色調和色彩。

　　雜化分散體極大地提高了有機顏料在涂料配方中的穩定性。這是因為礦化作用能夠更有效地保護有機顏料免受UV輻射的影響，從而使顏料失去其亮度和色強度的速度相當慢，使得外墻涂料可以較長時間保持其原有顏色。

圖5 在德國（60°SW/布格豪森Burghausen）戶外耐候試驗站試驗的采用新型基料和標準苯丙（SA）分散體的含有氧化鐵灰漿的保色性

　　通過在不同地區進行室外曝曬試驗，證實了保色性和涂料的耐久性得到了提高。圖5顯示的是在德國布格豪森Burghausen的戶外曝曬站進行試驗的實例，其中灰漿種含有1.5～2.0mm的填料。在該圖中顯示的灰漿中含有13％的基料（固體分50％）、2％的二氧化鈦和2％的“Bayferrox brown645T”顏料。ΔE值是指隨著時間的變化灰漿的顏色與原始灰漿顏色的色差，并且與采用傳統的苯丙乳液的同類灰漿相比，具有極高的保色性。在試板上還可觀察到顏色加深。采用新型基料制備的灰漿的展色性優異，與對比基料制備的灰漿相比較，呈現更鮮艷的棕色。

　　由于滲出作用造成的“蝸牛痕”現象減少了

　　有時我們所說的“蝸牛痕”指的是在涂裝外墻時出現的一種現象－在干涂膜上可見到的垂直流痕。特別是在雨后或一場露降后能觀察到，會影響到外墻涂料的視覺外觀。當干涂層中的水溶性鹽遷移到外墻表面時（通過細雨、露水或灌溉灑水器），就會產生蝸牛痕，然后在表面上干燥。這種鹽成分的遷移（滲出）會形成條紋，這些條紋的間距通常是無規的，并且遵循重力方向。蝸牛痕不僅會出現在外墻涂料上，在室內潮濕的房間中，如廚房和浴室，由于濕度較高，也可以觀察到蝸牛痕。

圖6 基料技術的接觸角試驗（自行開發的方法）

　　圖6給出了在實驗室中進行的接觸角試驗結果，確認涂料表面在與水接觸后會發生了變化。選用了兩種常用的外墻涂料用基料與新型基料進行比較：一種是苯乙烯丙烯酸基料，一種是醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料。

　　為進行該試驗，將含有42％基料（固體分50％）和4％“Colanyl Blue A2R131”（酞菁藍分散體）的涂料涂覆到“Leneta”測試卡上，并在50％的相對濕度和23°C溫度下固化24h。將一滴水滴在已固化的涂料上，測定涂料表面和水滴之間的接觸角。在用水對已固化的涂料處理1min后，進行同樣的操作步驟，讓試板干燥24h。通常，在進行水處理后，可觀察到接觸角會變小，這也證實了涂料表面在經過水處理之后親水性會提高。這很可能是涂料中的水溶性鹽遷移到表面的結果。在該實驗中，使用雜化基料的涂料進行試驗，觀察到接觸角變小的程度最低，這說明與其它試驗基料相比，使用雜化基料后的滲出現象較小。

圖7 采用新型基料（左）、苯丙（針狀沉淀物－中）和醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料（海綿狀沉淀物－右）涂料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖片

　　還采用了掃面電子顯微鏡（SEM）對這些涂料表面的變化進行了分析。圖7顯示的是在接觸角測量期間，用前面介紹的用水對涂料表面進行處理之后拍的照片。采用新型基料的涂料表面則沒有呈示出任何變化，而采用其它市售基料的兩種涂料在其表面上都出現沉淀物。

　　采用苯丙基料的涂料表面出現針狀沉淀物，而醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料的涂料表面則出現了海綿狀沉淀物。這些沉淀物改變了外墻涂料的表面外觀，出現明顯的痕跡，即眾所周知的蝸牛痕。

　　NMR分析證實了滲出現象減少

　　為更好地對基料進行比較，采用核磁共振（NMR）技術對基料中的水提取液進行分析。為進行該試驗，先制備分散體的聚合物膜，然后在溫度為23℃，相對濕度為50％的條件下固化14d。在溫度為23℃的條件下，將這些聚合物膜浸于水中，保持24h。在溫度為50℃下將水蒸發之后，得到來自不同聚合物膜中的水溶性鹽。然后將殘留的提取物溶解在極性溶劑（氧化氘）和非極性溶劑（三氯甲烷）中，并使用NMR進行分析。

圖8 通過用不同基料和極性溶劑制備的涂料的水提取液的核磁共振分析對滲出進行評估

　　圖8顯示的是將溶解在極性溶劑中的從不同聚合物所獲得的提取物的NMR圖和極性溶劑的NMR圖。圖中的峰值與從聚合物膜中洗出（滲出）的物質相對應，或與使用的溶劑相關。

　　由于在新型基料NMR圖上看到的峰均來自溶劑，因此說明新型基料在測試后的滲出作用方面，顯示出良好的結果，而研究中的其他聚合物的NMR圖中除溶劑峰外，還清晰的顯示出更多的峰還考慮了非極性溶劑的NMR圖，但是本文將不作討論，結果與已討論過的極性溶劑的結果相似。

　　因此，新型雜化基料結合了無機和礦物成分的獨特性能。與其他復合技術相比，通過丙烯酸聚合物、硅烷化學和硅溶膠的組合，在干涂料膜中可以實現二氧化硅更均勻的分布。因此，用它配制的涂料具有較高的耐沾污性，減少開裂和降低水吸收性，并且減少蝸牛痕現象的發生。

　　該分散體與顏料具有良好的相容性和顏色一致性，即使是采用不十分穩定的有機顏料，也可以獲得豐富的彩色外墻表面，并能特別持久的保持鮮艷的色彩。

“使用正確的原材料就可以實現極好的結果。”

　　Lenine de Sousa Gomes，

　　公司涂料分散體部門技術服務經理，

　　Wacker Chemie AG公司，

　　lenine.desousagomes@wacker.com

向Lenine de Sousa Gomes提出3個問題

　　在使用新型基料配制涂料時需要考慮什么？

　　事實上，使用新型基料配制涂料時沒有什么特別的約束條件。或許應該牢記一點，在計算PVC時要考慮部分基料是無機的，但是如果在配制涂料中遇到任何問題，請聯系我們，我們可以提供參考配方。

　　哪些有機顏料最容易褪色？

　　很難給出具體的答案，因為結果很大程度上取決于配方。但是，比較有問題的顏料有Red254或者Violet23。但是，我認為你可以在配方中使用正確的原材料（包括我們的基料）來實現較好的結果。

　　選擇什么樣的地區和持續時間來進行曝曬老化試驗？

　　我們可以在我們遍布全球不同的技術中心中進行試驗，但在這個試驗中，我們最后決定選在布格豪森（德國）和迪拜進行。布格豪森是我們在歐洲的標準室戶外曝曬站，選擇迪拜是可以沾污性進行更好的評估。文中所示迪拜的照片是在進行為期一年曝曬后拍攝的。