陳家祥 蔣歡 王光耀

0 引言

在工業(yè)化發(fā)展速度持續(xù)加快的背景下，我國空氣污染問題越加嚴(yán)重，建筑外墻長時間暴露于惡劣環(huán)境中，導(dǎo)致墻體外觀遭受嚴(yán)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(yīng)用壽命。

1 建筑墻體防護發(fā)展分析

1.1 建筑墻體防護現(xiàn)狀

現(xiàn)代化背景下，環(huán)境問題逐漸成為整個社會關(guān)注重點，環(huán)境污染對于建筑外觀的影響也成為相關(guān)專家學(xué)者的重點研究內(nèi)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(yīng)用具備良好柔韌性、耐候性等性質(zhì)的石膏泥灰、混凝土等材料針對建筑水泥內(nèi)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(huán)境問題持續(xù)惡化背景下，比如風(fēng)化侵蝕、酸雨、霧霾等自然災(zāi)害事故的頻繁出現(xiàn)，該種方法已經(jīng)無法滿足新時期建筑墻體外觀的防護要求，不能發(fā)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(xù)增加，容易導(dǎo)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(yán)重的是各種形式的污染物容易導(dǎo)致墻體外觀出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，出現(xiàn)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(yán)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(nèi)容。主要解決手段之一便是合理應(yīng)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(xué)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(fù)合材料充當(dāng)保護材料。應(yīng)用溶膠、凝膠法把正硅酸乙酯前驅(qū)體、酸催化對應(yīng)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(yè)基準(zhǔn)涂料，相關(guān)涂料能夠充當(dāng)持久疏水涂層，應(yīng)用到花崗巖表層可以有效控制風(fēng)化侵蝕問題。通過納米羥基磷灰石以及TEOS 等復(fù)合材料進行保護材料制作，促進氧化硅相關(guān)納米粒子和含氟聚乳酸共聚物進行充分混合，構(gòu)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(diào)節(jié)材料表層濕潤性，使涂層從最開始的親水材料轉(zhuǎn)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(jù)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(chuàng)新超疏水涂層設(shè)計不但能夠?qū)w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(jié)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(nèi)，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(chǎn)生下列問題：第一是溶膠、凝膠環(huán)節(jié)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(chǎn)生微孔問題，使整個涂層出現(xiàn)收縮裂縫，擴大實際應(yīng)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(yīng)的自清潔涂層，能夠發(fā)揮出良好的墻體保護功能，提高墻體外觀防護能力。經(jīng)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(tǒng)介紹建筑墻體和涂層結(jié)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(yīng)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(nèi)，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(zhì)量比進行均勻混合，隨后添加到甲苯、氧化硅混合融合內(nèi)，進行30min 的磁力攪拌。應(yīng)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(tài)下進行1h 固化處理。

2.3 性能檢測

處于22～24℃的室溫狀態(tài)下，利用接觸測量裝置針對樣片表層濕潤性實施準(zhǔn)確測量。接觸角對應(yīng)測量數(shù)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(shè)置為25Kv。除此之外，因為樣品整體導(dǎo)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(yīng)用EDX 測量實施噴涂處理后對應(yīng)樣品表面前后變化。

2.4 結(jié)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(nèi)PDMS 以及氧化硅納米粒子兩者質(zhì)量比是1∶0.1。分析相關(guān)照片和光學(xué)顯微圖像可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)其中區(qū)別。為此，可以通過對樣品表層潤濕性進行研究，準(zhǔn)確辨別涂層存在。主要參考依據(jù)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(jié)構(gòu)以及表層粗糙度的影響。為此，處于理想狀態(tài)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(chǎn)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(zhǔn)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(xiàn)出明顯的親水性特征。通過分析發(fā)現(xiàn)，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(guān)推測，對墻體表層形態(tài)變化進行直觀認(rèn)識和了解，應(yīng)用電子掃描顯微鏡檢測樣品表層，通過對比分析后發(fā)現(xiàn)，涂料噴涂前后，對應(yīng)墻體表層形貌產(chǎn)生直接變化，正式噴涂前，墻體表層存在各種不規(guī)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(yīng)空隙會被溶液內(nèi)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(xiàn)出建筑墻體表層潤濕性主要受到涂層影響而發(fā)生變化。

為對涂層進行深入解析，準(zhǔn)確把握相關(guān)元素變化狀況，針對墻體噴涂前后實施EDX 分析。發(fā)現(xiàn)在噴涂自清潔涂層后，墻體表層組成元素產(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)化為超疏水狀態(tài)，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(fā)性液體，應(yīng)用到具體實驗環(huán)節(jié)中，能夠?qū)ρ趸杓{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(fā)至空氣內(nèi)。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(nèi)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(guān)實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)墻體表層潤濕性主要會受到噴涂劑內(nèi)氧化硅納米粒子以及PDMS 等物質(zhì)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(guān)理論分析，可以進一步了解到，僅應(yīng)用PDMS 甲苯混合溶劑所形成涂層，對應(yīng)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(chǎn)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(xiàn)出弱疏水性。相關(guān)涂層能夠?qū)ㄖw表層進行有效覆蓋，發(fā)揮出建筑墻體保護功能，調(diào)整墻體表層潤濕性，從最初親水性轉(zhuǎn)化成疏水性特征，但無法順利實現(xiàn)超疏水目標(biāo)，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(nèi)，改善調(diào)整涂層表面粗糙度，調(diào)節(jié)涂層表面整體潤濕度。在PDMS 含量固定條件下，對應(yīng)表觀接觸角超出90°，也是疏水性低于零。在氧化硅容量持續(xù)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(xiàn)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(yīng)表觀接觸角超出90°。內(nèi)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(dǎo)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(diào)整墻體潤濕度，在二氧化硅含量持續(xù)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(dá)到既定值后，即噴涂溶液內(nèi)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(xiàn)各種裂紋，容易產(chǎn)生墻體表層脫落現(xiàn)象，喪失疏水能力，進而判斷PDMS 在涂層應(yīng)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(xiàn)裂紋。

3 超疏水涂層應(yīng)用研究

一般條件下，超疏水涂層能夠在物體表層進行粘結(jié)，包含機械結(jié)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)致溶液滲透于墻體內(nèi)部孔和間隙當(dāng)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(nèi)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(fā)現(xiàn)水滴展現(xiàn)為圓球狀，在接觸中順著樣品傾斜角快速滾落。相關(guān)研究結(jié)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(tài)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(tài)污染物以及顆粒污染物無法順利去除。此次實驗中，應(yīng)用炭黑粉末對顆粒污染物進行合理模擬，應(yīng)用水和炭黑粉末對液態(tài)污染物進行科學(xué)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(fā)現(xiàn)原始建筑墻體表層容易產(chǎn)生炭黑粉末黏附，無法通過去離子水對污染區(qū)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(zhì)，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(tài)污染物，可以發(fā)現(xiàn)沒有覆蓋涂層的墻體容易受到液態(tài)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(tài)污染物，因為涂層覆蓋于墻體表層可以進一步構(gòu)成超疏水層，涂層表面在掉落液態(tài)污染物后便會構(gòu)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(tài)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(fā)現(xiàn)建筑真石漆表層覆蓋涂層后，增加了液態(tài)污染物質(zhì)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(guān)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(wěn)定的超疏水效果，可以對涂層應(yīng)用壽命進行準(zhǔn)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(wěn)定性進行準(zhǔn)確判斷。通過分析發(fā)現(xiàn)覆蓋涂層后，建筑墻體在外部環(huán)境中經(jīng)過五個月后，表層并未產(chǎn)生明顯變化。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著時間流逝，涂層對應(yīng)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(yīng)涂層的氣候適應(yīng)性較好，防護效果較為穩(wěn)定，能夠?qū)ㄖw表層實施長期保護，預(yù)防環(huán)境污染，具有較高實用價值。涂層材料內(nèi)，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(yīng)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(nèi)部二氧化硅達(dá)到限定值后，會導(dǎo)致涂層出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，由于建筑墻體和涂層之間的黏附本質(zhì)上屬于物理吸附以及機械結(jié)合，因此應(yīng)嚴(yán)格控制二氧化硅的使用量。

4 結(jié)語

綜上所述，通過疏水氧化硅、聚二甲基硅氧烷作為基礎(chǔ)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(jié)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(guān)試驗證明，在涂層在戶外環(huán)境應(yīng)用五個月后依然保持良好自清潔效果。