用于建材疏水化处理的水性有机硅防水剂

data-full-width-responsive="true"> 　建筑防水是建筑工程的重要组成部分。我国的建筑防水状况一直不容乐观,据统计1989 年我国仅用于修补屋面防水层的维修费用就高达12 亿元以上[1 ] ,近十年来,建筑防水问题更是日益受到国家和人民的共同关注。开发防水新材料,是我国建设部的重点规划之一。防水剂是防水材料中的一大类,其优点是可以提高混凝土或沙浆的密实性及抗渗性,而且其造价低,基本上不增加施工费用。依据防止潮气入侵的方法不同,防水剂可分为防水型和斥水型两大类[2 ] 。防水型防水剂提供有效的密封以防止无论是液态还是气态的潮气,它通过在基材表面或附近形成一层薄的不透膜而阻止水分进入,但基材的气孔也因此过程而被阻塞,从而使墙体不容易干,而且如果出现裂缝,则潮气就会渗透;斥水型防水剂使疏水物质附着在基材气孔上而不是阻塞气孔,用它处理基材后,在阻止液体水进入的同时允许水蒸汽自由出入,保证了基材表面的呼吸性能。任何斥水型防水剂希望得到的性能都是对基材有好的渗透性、高度的防水性、呼吸性、对碱性材料的稳定性。而有机硅类防水剂则是达到此效果的理想选择。1 　有机硅防水剂的实用价值与仅在表面防水的疏水剂相比,有机硅斥水型防水剂在水泥等表面部分形成厚厚的疏水层,能保持长期的防水性能,同时亦抑制了含盐水分浸透而产生的劣化现象。有机硅防水剂的主要优点和实用价值有如下几条:1 1 　防水性能优良有机硅分子中的烷基决定了其防水性能,因此赋予了建筑材料基体抵抗酸、盐或者细菌、水藻等新陈代谢的产物(呈碱性) 等化学侵蚀的能力。由于基材表面的羟基与有机硅分子结合紧密,所以只要有机硅防水涂料中的分子链不断裂,基材表面的斥水性就不会消失[3 ] 。1998 年瓦克化学公司公开的一份专利表明,有机硅水乳剂在无机建筑材料上作疏水化打底时,可以得到渗透深度为6 mm ,接触角为140(大于90则成水珠效应良好) 的结果。因此,这是一种防水性、耐久性、使用广泛性都优良的防水剂。1 2 　透气性和保色性良好有机硅防水剂在基材表面形成一种较薄的疏水膜,扫描电镜及X 光能谱成分分析已经证实了这种厚度小于1000A 的超薄膜的存在[4 ] 。这层疏水膜是透气性的防水层,外边的雨水进不去,墙内的潮气可出去。由于好的斥水性和透气性,墙体不受到侵蚀,墙体的色泽不受影响,保色性良好。1 3 　渗透性好和涂层致密在高处作业时乳液易于滴落,如果需对建筑材料的垂直表面进行特别深的浸渍时,就必须涂多层水乳液,因为如果刷涂或喷涂过厚时它们会淌走。另外在喷涂乳液时形成不所希望的气溶胶,潮湿的建筑材料表面必须干燥以使乳液能浸透至一合适的程度。有机硅防水剂可以在建筑材料上形成较厚的涂层,因为它对基材有良好的渗透性,可以很快的渗入基材内部,形成致密的涂层。1 4 　适用性广泛有机硅防水剂在基材表面形成疏水膜时既不需从外界引入CO2进行反应,也不会有害于基材的碱性碳酸盐,因此,它对于基材的适用性较已有文献报道[5 - 6 ]可适用于无机建筑材料(如石块、混凝土及石膏、打底灰等) 、高分散无机物(如珍珠岩、蛭石及热绝缘材料等) 、纤维建筑材料(如石棉、石英纤维及陶瓷、塑料纤维等) 的疏水化处理,也可用于在铸造前加到水泥混合物中用以生产建筑构件或在铸造后用于建筑构件的疏水化处理。1 5 　环境污染小由于采用了水作溶剂,本身就降低了污染,而且有机硅化合物具有无污染,生理可耐受性好等优点,符合绿色产品的要求。2 　有机硅防水剂的疏水原理众所周知,有机硅聚合物的两个最显著的特点就是高耐氧化性和低表面能,而低表面能会产生优良的疏水性。有机硅建筑防水剂是由本身带有一定反应活性基的硅氧烷类有机硅化合物组成的。这类有机硅化合物与无机硅酸盐材料如混凝土、沙浆混凝土、加气混凝土、陶瓷、砖、瓦等有很大的化学亲和力,因而能改变这些硅酸盐材料的表面特性。这是由于带有反应活性基的硅氧烷,不但能通过活性基团的相互作用形成网状疏水性硅氧烷膜(如下图1 所示) ,还能与硅酸盐基材中的羟基反应形成末端带有Si R 基硅烷链[7 ] ,这是一种非极性基,有着极好的斥水性。图1 　有机硅防水剂在硅酸盐基材表面的保护结构这种斥水性网状硅氧烷分子膜具有很低的表面张力,能均匀的分布在多孔的硅酸盐基材的微孔孔壁上,而不是封闭其毛细管通道,水在毛细管壁的接触角为100以上,使滴在其上的水成为小水珠,无法渗入到基材内部。这样,经有机硅处理过的基材就具有良好的斥水效应,有效的阻止水分的浸入,又由于它并没有封闭基材毛细管通道,不妨碍水气由里向外扩散,使得基材具有好的透水性。3 　水性有机硅防水剂的制备进展水性建筑涂料中,因避免了采用各种溶剂来稀释有机硅化合物,从而避免了溶剂的毒性、挥发性及易燃性等方面的使用限制条件,并且潮湿表面的涂装变得容易。但是其制备仍存在许多困难,比如烷氧基硅烷有强烈的加水分解性,同时分解后易引起缩合反应,在水中稳定存在非常困难,因此虽然烷基烷氧基硅烷的水溶性和水分散体是理想的,制备对水稳定又能起斥水作用的有机硅化合物,仍需要做大量的工作。90 年代以来,水性有机硅斥水化合物的制备方法基本上可分为三大类:3 1 　乳化法3 1 1 　含氢有机硅化合物的乳化由于有机硅中与硅直接相连的氢原子具有较高的活泼性,易与羟基等活性基团反应,引入具有防水功能的烷基,而且硅氢键在酸性介质中比较稳定,不易水解,若在碱性介质中水解,则放出氢气,同时生成Si O Si 键。如果与硅相连的基团空间位阻较大,不能缩合,即可能利用这种方法进行制备。例如苏州市建筑材料科学研究所研制的有机硅防水涂料和防水剂[8 ] ,就是用辛烷基酚聚氧乙烯醚和马来酸酐衍生物来乳化硅油202 或/ 和硅油208 得到的。3 1 2 　烷基烷氧基硅烷的乳化本方法所得产品含有活性较强的烷氧基,其遇到硅酸盐基材的羟基时,发生交联,产生网状疏水性硅氧烷膜。但由于硅烷的烷氧基见水易分解,分解后又极易继续缩合固化,故能否解决或避免固化这一问题成为乳化过程中选择乳化剂的依据,近年来有大量的专利报道了这类用于建筑材料疏水化处理的有机硅化合物的水乳剂,其可以是阳离子表面活性剂(如烷基和烷基苯基季胺盐[9 ]) 、阴离子表面活性剂(如Aqualon - HS1025 反应性阴离子表面活性剂[10 ]) 或非离子表面活性剂,特别是后者,近来各种类型的多元醇型(如脂肪酸酰胺醇类[11 ]和山梨糖醇酐的酯类衍生物[12 ]等) 、聚乙二醇型(如一价、二价、三价或四价的亚烷基乙二醇单烷基醚[13 ]和聚乙二醇壬基苯基醚[14 ]等) 非离子乳化剂被讨论并应用。3 2 　共聚及接枝反应3 2 1 　游离基和离子引发的水乳液共聚反应有机硅乳液聚合是80 年代末发展起来的合成有机硅高聚物新方法,它可以用来制备在水相中高度分散的具有端羟基的聚有机硅氧烷的稳定乳液。与一般有机高聚物乳液聚合一样,体系的基本组成也是水、乳化剂、单体和水溶性催化剂,单体含量通常可占体系总质量的30 %左右[15 ] 。这种方法的优点在于尽量的避免了硅氧烷官能团的自身缩聚反应。如近来有一些专利[16 - 19 ] 报道了耐水性好的水性有机硅系组合物,该组合物由带可水解的甲硅烷基和酸基的聚合物与带可水解交联的有机甲硅烷基的硅化合物水解缩合而得到,该过程中加入了催化剂和表面活性剂,如果需要则加入碱性化合物部分或全部中和。3 2 2 　自由基聚合自由基聚合可得到粒度较小的乳液。例如[20 ]一种耐水性和耐溶剂性、储存性均好的水分散体可由下面的方法制得: ( Ⅰ) 将含烷氧基甲硅烷基的自由基聚合不饱和单体在表面活性剂存在下分散于含水溶剂中,制得平均粒度5～500 nm 的液态单体分散体, ( Ⅱ) 加入自由基聚合引发剂。近年来发展的有机硅改性丙烯酸[21 ]或聚氨酯树脂建筑涂料就是利用乳液接枝共聚得到的。3 3 　硅烯的插入反应有机取代的硅烯很容易插入Si O、Si H 键,也能插入O H 键,利用这一性质,可以制备有机硅化合物,类型反应如下[15 ] :Me2Si∶+MeCH2OH HMe2SiOCH2Me4 　结语综上所述,有机硅在建筑材料疏水化处理中有着特殊的实用价值,有机硅高分子防水剂是目前最有前途的高效防水剂之一,对它的制备和性能测试进行研究吸引了大批的国外学者和技术人员,在我国,有机硅作为一种化工新型材料已经成为我国化学工业21 世纪新的经济增长点,我国有机硅氧烷的消费量近年来正以32 53 %的年增长率[22 ]增加。进一步发展和研究水性有机硅建筑防水剂,是一件有重要社会和经济意义的事。