构建更明亮的建筑外观

　　Lenine de Sousa Gomes，Wacker Chemie AG公司

　　已开发出了一种新型杂化基料，在基料中二氧化硅颗粒相比以前技术，分布为均匀。这种基料够降低沾污性，同时提高曝露时的保色性。同时还可减少可溶性组分的渗出，这种组分的渗出会导致起霜和“蜗牛痕”现象。

　　基料的选择在确定所生产的涂料和涂料配方的性质和功能性（从耐沾污性到耐久性以及最终产品的整体外观）方面起着关键作用。由Wacker公司的化学小组研发的一种新型分散体，通过将有机材料和矿物材料的性能相结合，得到了最理想的结果。

　　这种基料对颜料的稳定性极高，能够使色彩鲜艳的外墙涂料更持久地保持其颜色，并且不容易褪色。采用新型基料配制的涂料还能减少外墙表面的沾污量，并且能够减少甚至消除墙面上的“蜗牛痕”现象（由于组分的渗出而造成）。

　　结果一览

　　→开发了一类杂化基料，将有无机材料（通常是二氧化硅）和有机乳液基料结合在一起，从而提高了硬度，同时仍很容易聚结成膜。但是，二氧化硅颗粒的絮凝可能会造成一系列问题，亲水性会增加，还会产生到开裂。

　　→已经研发了一种新型杂化基料，其中，利用硅烷使丙烯酸聚合物带有官能团，与细的硅溶胶颗粒相结合，因此确保其均匀分布，极不易发生絮凝。

　　→曝露试验表明，与标准乳液基料相比，新型基料的耐沾污性更好，并且可以提高保色性。

　　→当涂料中的可溶性成分在潮湿的条件下渗出时，会出现了另一种被称为“蜗牛痕”现象的外观问题。通过几次试验证实：新型基料会减少渗出现象和涂料表面上起霜盐的形成。

　　色彩持续能为墙面增光添彩

　　外墙涂料旨在保护建筑物免受户外的影响，如：寒冷、高温、雨水、冰以及UV辐射。同时，它还是一种设计要素，通过增加颜色、形状或表面的细节，为建筑物的墙壁增添视觉魅力。随着20世纪80年代后现代建筑的兴起，越来越多的建筑师变得有勇气去探索明亮的色彩。

　　颜色和表面纹理将外墙涂料变成了一种设计要素，决定了单个建筑和整个地区的外观。例如，一提到瑞典时，大多数人都会联想到红色的木结构建筑，而中欧的巴洛克建筑则以明亮柔和的色彩闻名，巴黎的旧城区则采用香槟色的含沙灰浆进行装饰。

　　彩色外墙的主要问题是随着时间的推移，明亮的彩色涂料往往会褪色。由于天气影响，墙面涂料经常会失光。涂料配方设计的一个关键要素是基料的选择，使涂料形成耐久的防护膜，并能使涂料快速固化，同时保持弹性和柔韧性。此外，颜填料需要通过适当的基料进行粘结，使外墙面长期保持其外观。因此开发了一种新型基料体系“Primis AF1000”，旨在使涂料能长久保持色彩。该分散体能有效地稳定涂料中的颜料，使得外墙在多年后仍能保持外观，沾污程度低，同时能避免“蜗牛痕”现象。

　　杂化基料能使二氧化硅分布更均匀

　　杂化基料结合了有机成分和矿物质成分，通过硅烷化学使基料呈现出一种全新的性能。这是一种具有两相结构的水性聚合物分散体，其中一相是丙烯酸酯共聚物，另一相是硅溶胶颗粒（见图1）。无机二氧化硅通常硬度高，具有良好的热稳定性和UV稳定性。因此，使涂料具有较低的粘连性，耐沾污性和保色性良好。有机聚合物相是丙烯酸酯，具有基料的常规功能，表现出对基材优异的附着力和很高的内聚力，同时具有柔韧性、良好的机械性能和疏水性。

图1 聚合物颗粒“Primis AF1000”的示意模型图，以二氧化硅为核，有机层为壳，有机层中带有硅烷基团（黄色点）和表面活性剂（红色点），使基料具有独特的性能。

　　建筑行业将有机组分和无机组分混合使用已有一段时间了。这可以通过不同的方式实现。有时，矿物颗粒可简单地混合到有机分散体中，或通过乳液聚合实现微胶囊化（见图2）。但仅凭这两种技术几乎不能使二氧化硅充分均化到聚合物相中。均化程度差会导致分散体出现储存稳定性问题，而且由于二氧化硅的絮凝作用，会使涂料出现开裂，并且导致涂料的吸水性高。分散体中絮凝的二氧化硅会形成较大的二氧化硅团块，一旦分散体干燥后，就会分布在聚合物膜中。在这种情况下，由于二氧化硅团块与其周围的聚合物颗粒之间内应力的差异，整个聚合物膜很容易出现开裂。

图2 将有机和无机成分组合的示意图。上－硅溶胶与聚合物分散体的混合；中－采用乳液聚合实现胶囊化；下－采用活性有机聚合物处理硅溶胶表面的新型复合技术

　　另一个问题是如果二氧化硅在聚合物相中分散不好，那么将不会受到保护，并且它的亲水性也会使水能够很容易地透过聚合物膜，从而增加水的吸收。这些现象也可推演到涂料。新型基料的研发工艺能使二氧化硅极其均匀地分散在聚合物相中（见图2）。在这种经矿化后的基料中，利用硅烷使丙烯酸聚合物带有官能团，这些官能团反过来又可与二氧化硅发生反应。通过这种方式，矿物组分和有机组分就能以一种受控的方式发生化学键合，防止二氧化硅颗粒发生絮凝。与采用传统复合基料制备同种涂料相比，透射电子显微镜（TEM）图片清晰地显示出了二氧化硅是如何更均匀地分散在整个涂料中的（见图3）。

图3 用标准复合基料（左）和新型基料（右）配制的涂料对比。标准涂料中的二氧化硅颗粒更容易发生絮凝现象

　　曝露试验显示沾污性大大降低

　　矿化后的分散体导热性高，使得涂料和外墙表面快速干燥。基料除了具有理想的屏蔽性能外，还会减少涂料对沾污物的吸附量。热塑性是传统丙烯酸酯分散体的特征之一，但在热的环境中，会导致外墙表面快速吸附污染物。但新型基料技术在表面硬度较高的同时，还具有良好的弹性，由于污染物颗粒很难吸附在表面，从而阻止污染的形成。在不同的地区，使用该基料进行多次户外耐候性试验，例如在阿拉伯联合酋长国迪拜的公司技术中心。

　　图4证明了与采用传统聚合物基料（苯乙烯丙烯酸/醋酸乙烯酯/VeoVa基料）的同种涂料相比，采用新型基料的白色和彩色外墙涂料是如何展现其性能的。该涂料包含32％的基料（固体分50％）和18％的二氧化钛（颜料体积浓度（PVC）约为47％）。

图4 在阿拉伯联合酋长国（60°SE/迪拜）的户外耐候性试验站进行的采用新型基料的涂料和采用苯丙和醋酸乙烯酯/VeoVa基料的标准分散体涂料的耐沾污试验

　　在迪拜以阳光入射角60°，面向东南方向进行为期一年的曝晒试验后发现，新型复合基料的沾污性明显更低。为进行该试验，灰浆下面用了一道表面粗糙的底漆，以使得该试验更具有挑战性。试验后在试板上观察到的沙子是来自众所周知的迪拜沙尘暴。

　　可提高颜料的稳定性

　　将颜料混合到外墙涂料中，以便为住房或其他建筑物的外墙增添丰富、鲜艳的颜色。尽管众所周知有机颜料的颜色色调种类丰富，但它们并不总是特别稳定，特别是曝露在UV辐射下的时候。

　　因此，由于阳光和天气的影响，它们会随着时间的推移而褪色，而且变得暗淡。相比之下，无机颜料能更好地耐户外条件，但没有有机颜料那么多种类的色调和色彩。

　　杂化分散体极大地提高了有机颜料在涂料配方中的稳定性。这是因为矿化作用能够更有效地保护有机颜料免受UV辐射的影响，从而使颜料失去其亮度和色强度的速度相当慢，使得外墙涂料可以较长时间保持其原有颜色。

图5 在德国（60°SW/布格豪森Burghausen）户外耐候试验站试验的采用新型基料和标准苯丙（SA）分散体的含有氧化铁灰浆的保色性

　　通过在不同地区进行室外曝晒试验，证实了保色性和涂料的耐久性得到了提高。图5显示的是在德国布格豪森Burghausen的户外曝晒站进行试验的实例，其中灰浆种含有1.5～2.0mm的填料。在该图中显示的灰浆中含有13％的基料（固体分50％）、2％的二氧化钛和2％的“Bayferrox brown645T”颜料。ΔE值是指随着时间的变化灰浆的颜色与原始灰浆颜色的色差，并且与采用传统的苯丙乳液的同类灰浆相比，具有极高的保色性。在试板上还可观察到颜色加深。采用新型基料制备的灰浆的展色性优异，与对比基料制备的灰浆相比较，呈现更鲜艳的棕色。

　　由于渗出作用造成的“蜗牛痕”现象减少了

　　有时我们所说的“蜗牛痕”指的是在涂装外墙时出现的一种现象－在干涂膜上可见到的垂直流痕。特别是在雨后或一场露降后能观察到，会影响到外墙涂料的视觉外观。当干涂层中的水溶性盐迁移到外墙表面时（通过细雨、露水或灌溉洒水器），就会产生蜗牛痕，然后在表面上干燥。这种盐成分的迁移（渗出）会形成条纹，这些条纹的间距通常是无规的，并且遵循重力方向。蜗牛痕不仅会出现在外墙涂料上，在室内潮湿的房间中，如厨房和浴室，由于湿度较高，也可以观察到蜗牛痕。

图6 基料技术的接触角试验（自行开发的方法）

　　图6给出了在实验室中进行的接触角试验结果，确认涂料表面在与水接触后会发生了变化。选用了两种常用的外墙涂料用基料与新型基料进行比较：一种是苯乙烯丙烯酸基料，一种是醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料。

　　为进行该试验，将含有42％基料（固体分50％）和4％“Colanyl Blue A2R131”（酞菁蓝分散体）的涂料涂覆到“Leneta”测试卡上，并在50％的相对湿度和23°C温度下固化24h。将一滴水滴在已固化的涂料上，测定涂料表面和水滴之间的接触角。在用水对已固化的涂料处理1min后，进行同样的操作步骤，让试板干燥24h。通常，在进行水处理后，可观察到接触角会变小，这也证实了涂料表面在经过水处理之后亲水性会提高。这很可能是涂料中的水溶性盐迁移到表面的结果。在该实验中，使用杂化基料的涂料进行试验，观察到接触角变小的程度最低，这说明与其它试验基料相比，使用杂化基料后的渗出现象较小。

图7 采用新型基料（左）、苯丙（针状沉淀物－中）和醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料（海绵状沉淀物－右）涂料的扫描电子显微镜（SEM）图片

　　还采用了扫面电子显微镜（SEM）对这些涂料表面的变化进行了分析。图7显示的是在接触角测量期间，用前面介绍的用水对涂料表面进行处理之后拍的照片。采用新型基料的涂料表面则没有呈示出任何变化，而采用其它市售基料的两种涂料在其表面上都出现沉淀物。

　　采用苯丙基料的涂料表面出现针状沉淀物，而醋酸乙烯酯－乙烯－丙烯酸酯基料的涂料表面则出现了海绵状沉淀物。这些沉淀物改变了外墙涂料的表面外观，出现明显的痕迹，即众所周知的蜗牛痕。

　　NMR分析证实了渗出现象减少

　　为更好地对基料进行比较，采用核磁共振（NMR）技术对基料中的水提取液进行分析。为进行该试验，先制备分散体的聚合物膜，然后在温度为23℃，相对湿度为50％的条件下固化14d。在温度为23℃的条件下，将这些聚合物膜浸于水中，保持24h。在温度为50℃下将水蒸发之后，得到来自不同聚合物膜中的水溶性盐。然后将残留的提取物溶解在极性溶剂（氧化氘）和非极性溶剂（三氯甲烷）中，并使用NMR进行分析。

图8 通过用不同基料和极性溶剂制备的涂料的水提取液的核磁共振分析对渗出进行评估

　　图8显示的是将溶解在极性溶剂中的从不同聚合物所获得的提取物的NMR图和极性溶剂的NMR图。图中的峰值与从聚合物膜中洗出（渗出）的物质相对应，或与使用的溶剂相关。

　　由于在新型基料NMR图上看到的峰均来自溶剂，因此说明新型基料在测试后的渗出作用方面，显示出良好的结果，而研究中的其他聚合物的NMR图中除溶剂峰外，还清晰的显示出更多的峰还考虑了非极性溶剂的NMR图，但是本文将不作讨论，结果与已讨论过的极性溶剂的结果相似。

　　因此，新型杂化基料结合了无机和矿物成分的独特性能。与其他复合技术相比，通过丙烯酸聚合物、硅烷化学和硅溶胶的组合，在干涂料膜中可以实现二氧化硅更均匀的分布。因此，用它配制的涂料具有较高的耐沾污性，减少开裂和降低水吸收性，并且减少蜗牛痕现象的发生。

　　该分散体与颜料具有良好的相容性和颜色一致性，即使是采用不十分稳定的有机颜料，也可以获得丰富的彩色外墙表面，并能特别持久的保持鲜艳的色彩。

“使用正确的原材料就可以实现极好的结果。”

　　Lenine de Sousa Gomes，

　　公司涂料分散体部门技术服务经理，

　　Wacker Chemie AG公司，

　　lenine.desousagomes@wacker.com

向Lenine de Sousa Gomes提出3个问题

　　在使用新型基料配制涂料时需要考虑什么？

　　事实上，使用新型基料配制涂料时没有什么特别的约束条件。或许应该牢记一点，在计算PVC时要考虑部分基料是无机的，但是如果在配制涂料中遇到任何问题，请联系我们，我们可以提供参考配方。

　　哪些有机颜料最容易褪色？

　　很难给出具体的答案，因为结果很大程度上取决于配方。但是，比较有问题的颜料有Red254或者Violet23。但是，我认为你可以在配方中使用正确的原材料（包括我们的基料）来实现较好的结果。

　　选择什么样的地区和持续时间来进行曝晒老化试验？

　　我们可以在我们遍布全球不同的技术中心中进行试验，但在这个试验中，我们最后决定选在布格豪森（德国）和迪拜进行。布格豪森是我们在欧洲的标准室户外曝晒站，选择迪拜是可以沾污性进行更好的评估。文中所示迪拜的照片是在进行为期一年曝晒后拍摄的。