摘要：通过特殊技术改进无机硅酸钾涂料，使其单组份化，且表干后即具有荷叶效应，实验结果表明该涂料具有良好的耐沾污性能及优异的耐老化性能。
关键词：疏水型；单组份；耐沾污；硅酸盐涂料
近年来，为了减少对石油衍生品的依赖，加之国内高层建筑的兴起及国际知名无机建筑涂料商进
入中国，耐侯性优异的无机涂料再度引起人们的重视。因为无机涂料的耐老化性及与水泥之间优异的
结合力是绝大多数相同成本的有机涂料难以达到的，具有独特的技术经济价值。
在无机建筑涂料中，大致可分为两类，一类是以碱金属硅酸盐为主要粘结剂，另一类是以硅溶胶
与合成乳液混合物为主要粘结剂
（1）
，从欧洲无机涂料应用的情况看来，由于欧盟对无机涂料中有机物
含量有一个5% 的限定，所以目前还是以碱金属硅酸盐为主。世界上第一项关于碱金属硅酸盐涂料的
专利就诞生在德国的巴伐利亚州，作者曾看到一些图片，在十九世纪用硅酸盐涂料涂刷的建筑物外墙
历经百年风雨至今仍保持良好的效果，古朴、庄重、耐久的装饰风格已成为无机建筑涂料的象征。
然而，由于乳液合成技术的进步，以及用于合成树脂乳液涂料配套助剂的大量出现，使得合成树
脂乳液涂料的适用面比无机涂料更广，特别体现在色彩效果和开罐效果方面，使得现有的无机建筑涂
料无法与之竞争；另外是无机涂料在使用上也存在一些缺陷，如双组份包装、沉淀严重，需要现场计
量调制等，不能满足现代施工简单、快捷的需求，能否将这一古老产品推陈出新已成为无机涂料发展
的关键。
针对硅酸盐涂料的存在的问题，本研究重点探索了硅酸钾固化剂、疏水剂对无机涂料性能的影响，
通过选择高模数的硅酸钾及相关助剂制得一种新型的单组份硅酸钾外墙涂料，其装饰效果及外观与乳
液涂料相近，全干后可形成独特的疏水效果。在保留硅酸盐涂料优异耐侯性特点的同时赋予其新的技
术内涵。
1 硅酸钾涂料的固化、疏水机理及其必要性
1．1 硅酸钾又名钾水玻璃，化学式K 2 O ·n SiO 2 ·m H 2 O ，其为二氧化硅在强碱性氢氧化钾溶液
中溶解所得，较之硅酸钠，它具有更好的渗透性及较小的泛碱性，已成为无机涂料粘合剂的首选。由
于硅酸钾富含胶体二氧化硅，细微的胶粒对水泥基材有较强的渗透力，能通过毛细管渗透迁移到
基材内部 0.5-2mm 深，并在渗透的过程中逐渐失水，形成硅酸凝胶，最终结合成网状二氧化硅结构，
并同时与水泥基层中的氧化钙反应生成不溶于水的硅酸钙结晶，使涂料与墙面牢固地结合为一体，形
成刚性涂层，此时涂层的表面硬度可达到最大值4.6( 莫氏硬度)，耐侯性、耐污性、抗热粘连性及耐
磨性突出，非常适合水泥基墙体的防护。且涂料和墙体同属硅酸盐基质，一体化程度高，有相近
的热涨冷缩系数，能有效避免涂层脱壳和剥落。
在垂直的建筑用石棉水泥平板（JG/T412 - 1991）上刷硅酸盐涂料，这种渗透硅化反应通
常需要持续一个月，在此之前，涂层的耐雨蚀性较差，不能满足外墙涂料的要求。图1 反映
了25℃条件下，硅酸盐涂料随着时间的增长与耐洗擦性的关系。
由图1 可见，靠硅酸盐自身的缓慢渗透固化，是不能满足现代外墙涂料的施工要求的，
必须添加固化剂促进交联，让固化剂镶嵌在二氧化硅的网格间，这种交联结构的形成及性能
比单向交联结构更加快捷、致密，这就是硅酸盐建筑涂料通常是双组份的原因
（2 ）
了25℃条件下，磷酸盐固化剂添加量为2%的双组份硅酸钾涂料在24小时内耐洗擦性的变化
情况。
从图2 可见，水玻璃固化剂的加入，使硅酸盐涂料的早期湿强度大大提高，24小时后
即可形成防雨性。
1 ．2 与乳液涂料的封闭性相比，硅酸盐涂料的透气性是其长处之一，但多孔性的表面必
然导致涂层的吸水率较高，易使涂层处于潮湿状态，这对外墙涂料冻融性来说是致命的，所
以在国外的硅酸盐涂料文献中，几乎都提到了到憎水剂的作用
（3 ）
，目的就是形成反毛细孔 效
应，实现透气而不渗水。
墙体水分的进入主要原因其中的毛细孔吸附，毛细孔吸水是由于作用在毛细孔表面的水
的表面张力而在空隙内产生吸附水的驱动力之故。水和墙面砂浆层的接触角一般都小于2 0
度，其合力能驱使水进入毛细孔中，因而能侵湿墙体表面及深处。
在玻璃化温度以上，乳液涂料是通过均匀的乳胶粒软化形成平滑的连续相，从而封闭毛
细孔从而实现墙面防水之功效。而 硅酸盐涂料却与之不同，无定形的胶体二氧化硅只能堆积
而不能形变，其形成的膜通常是粗糙而多隙，如图3 所示。
图3 乳液涂料和硅酸盐涂料的成膜对比示意图
根据文献报道，表面粗糙度的增加，会促使疏水表面的疏水性更好
（3 ）
，换言之，粗糙面
更易形成疏水面。本研究利用硅酸盐涂料的多孔性及不含乳化剂的特点，通过添加疏水硅烷
与硅酸钾复配的方法，增大涂层表面与水的接触角，形成所谓的荷叶效应来达到疏水防污的
目的。其原理是利用有机硅的疏水性，使其吸附在涂层空隙（微细孔、毛细孔等）的壁上，
致使毛细孔入口处产生阻力，使水收缩呈珠状而不能渗入毛细孔中。理论上，疏水性的优劣
可用静态水接触角来衡量。根据我们的实验，在用有机硅憎水剂处理过的建筑用石棉水泥平
板上，水珠即可实现自由滚动而不留痕迹，基本达到了荷叶的动态疏水效果，而此时测得的
接触角在96°左右，如图4 所示。
图4 实际疏水效果与静态接触角的对比
从图4 上对比的情况看，在动态疏水效果如此好的情况下，静态接触角的实测数据却并
不高，与荷叶的140 °静态角相差甚远。我们认为这与建筑用石棉水泥板表面的平整度有关，
粗糙的表面在显微镜下产生模糊，使基准面难以确定所致。所以，对于硅酸盐涂料这种必须
在石棉水泥板测试的涂料，在考察疏水性时，还需兼顾垂直面的水珠成形情况。
2 ．实验部分
2．1 主要原料
硅酸钾 QPY405 ：工业级，青岛东岳泡花碱有限公司；金红石型钛白粉：锦州钛业；耐碱纤维素
醚、高岭土、滑石粉：市售；聚氧硅烷疏水剂：TEGO ；分散剂：MUNZING；缓释型水玻璃固化剂：自
制。
2．2 缓释型水玻璃固化剂的制备
由于本研究的内容是单组份的硅酸盐涂料，所以固化剂应当是缓释型的，必须自制。主要技术路
线是将磷酸盐基化，通过施工过程中有机氨的挥发，将磷酸根慢慢释放出来，实现对硅酸钾的交联。
2．3 涂料的制备
在容器内加入硅酸钾及分散剂，在高速搅拌下加入颜料、填料，连续分散30 分钟至预定细度；然
后依次加入纤维素溶胶、疏水剂及固化剂，混合均匀后过滤出料。
2．4 性能测试
国家行业标准JG/T 26—2002 对碱金属硅酸盐类无机外墙涂料有若干技术指标，但未涉及到疏水
指标，考虑到疏水性对硅酸盐涂料的重要性，本研究着重讨论硅酸盐涂料的两大特征性指标，耐老化
性及疏水性，使用的主要仪器为人工加速老化仪及静滴接触角测量仪、马沸炉等。
3 结果与讨论
3．1 硅酸钾涂料的耐老化性能
为了考察疏水性硅酸钾涂料的耐老化性能，按照 GB/T1865 -2009 中C 循环的方式，对某知名品牌
的纯丙乳液外墙涂料、自制的硅酸钾外墙涂料、进口的硅酸钾外墙涂料分别进行制板养护，然后进行
250 及1000 小时的人工加速老化试验（前者为250 小时，后两者为1000 小时）。根据前期的探索性
试验，我们发现三者在老化箱内粉化、起泡及开裂现象均不太明显，但黄变程度却差异较大，所以本
研究重点考察黄变指标。测试结果如图5 所示。
为了说明有机物含量与黄变的关系，本研究还测定了三者的烧失量（注：硅酸钾通常含有化合水，
图5 三种涂料在老化箱内的黄变图片
约为其固含量的10 -15%，故硅酸盐涂料的烧失量数据为有机物与化合水之和），如表1 所示。
综上所述可见，人工老化黄变的程度随有机物含量的增加而增加，由此可以认为：在涂料组份中，
导致黄变的主要因素还是合成树脂类有机物。根据我们的研究，在耐紫外线方面，硅酸盐涂料确实具
有得天独厚的优势，若用无机颜料着色，装饰效果延续百年是非常可信的。
3．2 疏水硅烷用量对疏水性的影响
可用于硅酸盐涂料防水的硅烷品种繁多，本研究筛选了一种与硅酸钾相容性良好的硅烷 A，以 5% 、
10%、15%及20%与硅酸钾涂料复配，然后在石棉水泥板上涂刷 2 遍，25 ℃条件下，养护 48 小时后分
别测试其静态水接触角，测试值与硅烷用量的对应关系如表2 所示。
从表2 可见，硅烷的用量与疏水性并不呈正比关系，而存在一个最佳配比。如前所述，水平面测
得的水接触角仅是一个表征，并不能完全体现垂直墙面的疏水情况，由于没有重力的作用，通常在水
平面上有70℃左右水接触角的涂层，在垂直墙面已有很好的雨过无痕效果了。
3．3 涂料疏水性对施工的影响
建筑用外墙涂料通常的施工程序为一底两面，即在一遍底涂的基础上，再施二道面涂，硅酸盐涂
料也不例外。但疏水性涂料对第二遍面涂施工的时效提出了新的要求，原因在于第一遍疏水
涂料完全干燥之后就会产生疏水性，这对第二遍涂料的附着产生障碍，主要表现在施工时出
现油缩现象，数日内涂层还会自动脱落。因此，在施工前根据气温测试涂料疏水性产生的时
间很有必要，以便把握第二遍涂料施工的时段，可有效规避附着力损失的风险。
4 结论
本研究制备的硅酸钾涂料作为新一代的单组份、耐侯、自清洁型无机建筑涂料，在保留
其多孔性的同时，采用复配硅烷的技术，使其水平静态水接触角达到7 0 ℃，垂直动态流动
水呈珠状，实现了乳液涂料难以达到的疏水性。在要求建筑涂料低碳、环保及阻燃的大背景
下，资源丰富、耐侯性优异的无机涂料开发应用将成为一种趋势，本研究为这种趋势的可行
性提供了初步探索。
参考文献
【1 】 涂料工业,2010.6
【2 】 新型建筑材料，1998.10
【3 】 www.woellner.com.cn
【4 】 江雷, 冯琳. 仿生智能纳米界面材料【M 】. 北京：化学工业出版社,2007.
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