СРЕДСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СТРОИТЕЛЬНАЯ ПЛИТА Российский патент 2008 года по МПК C04B41/65 C04B41/62 E04C2/16 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники

Настоящее изобретение относится к средству для защиты от загрязнений (т.е. средству, которое обеспечивает удаление загрязнений от почвы и пятен (плесени) с помощью воды или аналогичной жидкости), которое используется для обработки поверхности для придания устойчивости к загрязнениям, например для обработки фибролитовых плит, плит из силиката кальция, цементных (бетонных) плит, металлических пластин или плиток, или стеклянных пластин или плиток, а также к строительным плитам, обработанным средством для защиты от загрязнений.

Описание известных технических решений

На поверхность архитектурных плит, используемых для облицовки зданий, например плит для наружной отделки стен, в частности сайдинга, обычно наносят состав, образующий покрытие, а сверху средство для защиты от загрязнений, которое создает пленку, выполняющую функцию защиты от загрязнений и обладающую свойством самоочищения, таким образом, чтобы после ее нанесения обеспечить удаление загрязнений, возникающих на поверхности.

В качестве такого средства для защиты от загрязнений используется средство, образующее супергидрофильную грязезащитную пленку на обрабатываемой поверхности. При нанесении такого грязезащитного средства на поверхность подложки на ней образуется супергидрофильная защитная пленка. Когда поверхность подложки загрязняется, при последующем воздействии воды на эту поверхность происходит абсорбция воды супергидрофильной грязезащитной пленкой, в результате чего загрязнения всплывают на поверхность воды и смываются вместе с ней (т.е. наблюдается эффект самоочищения).

Для формирования супергидрофильной грязезащитной пленки на поверхности подложки, до настоящего времени в основном использовали диспергированные в воде частицы тонкоизмельченного диоксида кремния (коллоидного кремнезема). Например, в опубликованной патентной заявке Японии №6-71219 (JP 6-71219 А) раскрыт способ образования пленки для защиты от загрязнений, который включает нанесение водной дисперсии частиц коллоидного диоксида кремния, которые имеют средний диаметр частиц не более 100 нм, на покрытие на основе водной эмульсии синтетического полимера с формироваем пленки коллоидного диоксида кремния на поверхности покрытия.

В опубликованной патентной заявке Японии №2002-338943 (JP 2002-338943 А) раскрыт способ формирования грязезащитного слоя, включающего нанесение жидкости, содержащей коллоидный диоксид кремния и сложный оксид алюминия/алюминия-магния для придания поверхности водоотталкивающих свойств и стойкости к воздействию щелочи.

Описанные выше тонкодисперсные частицы диоксида кремния придают обработанной поверхности подложки супергидрофильные свойства, благодаря присутствию на поверхности частиц силанольных групп.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанные выше тонкодисперсные частицы диоксида кремния содержат некоторое количество соседних силанольных групп, при этом силанольные группы, присутствующие на поверхности частиц, расположены настолько близко друг от друга, что эти соседние силанольные группы образуют водородные мостики. Поскольку в результате соседние силанольные группы содержат пониженное количество свободных (т.е. одиночных) силанольных групп, которые определяют степень гидрофильности и имеют низкую поверхностную активность, способность тонкоизмельченных частиц диоксида кремния к связыванию с поверхностью подложки снижается. Таким образом, тонкоизмельченные частицы кремния будут обладать способностью к вымыванию под действием дождевой воды и поэтому не следует ожидать продолжительного эффекта защиты от загрязнений. Для получения грязезащитной пленки, обладающей высокой степенью гидрофильности, необходимо увеличить концентрацию тонкоизмельченных частиц диоксида кремния в водной дисперсии, поскольку концентрация одиночных силанольных групп, содержащихся в тонкоизмельченных частицах диоксида кремния невысока. Вместе с тем, повышение концентрации частиц кремния в водной дисперсии приводит к ее значительному удорожанию.

Кроме того, тонкоизмельченные частицы оксида кремния имеют диаметр порядка нанометра (не более 100 нм). Поэтому, если на поверхность подложки нанести состав, формирующий покрытие, а затем обработать ее грязезащитным составом, то частицы диоксида кремния могут быть вовлечены в процессы расширения и сжатия покрытия, которые возникают при абсорбции и десорбции влаги, а также при изменениях температуры окружающего воздуха, что может приводить к их внедрению в покрытие и к снижению в результате грязезащитного эффекта.

Для решения вышеописанных проблем традиционных способов защиты от загрязнений, согласно настоящему изобретению предложено средство для защиты от загрязнений, образующее супергидрофильную грязезащитную пленку при нанесении этого средства на поверхность подложки, при этом средство содержит высокодисперсный диоксид кремния, диспергированный в водной среде.

В качестве водной среды предпочтительно использовать смесь воды и спирта и еще более предпочтительно добавлять в этот раствор от загрязнений поверхностно-активное вещество.

В соответствии с настоящим изобретением предложена также строительная плита, имеющая супергидрофильную грязезащитную пленку, полученную путем нанесения описанного выше средства для защиты от загрязнения на поверхность подложки с последующей сушкой. Предпочтительно на поверхность подложки наносят состав, формирующий покрытие, а средство для защиты от загрязнений наносят на полученное в результате этого покрытие в то время, как оно находится в полусухом состоянии с последующим обогревом и сушкой. Фибролитовые плиты, которые используют в качестве наружных стеновых панелей или аналогичные плиты пригодны в качестве подложки для строительной плиты.

Способ изготовления

Высокодисперсный диоксид кремния получают, например, гидролизом тетрахлорида кремния в водородно-кислородном пламени (полученный диоксид кремния называют пирогенным кремнеземом). При этом диаметр первичных частиц лежит в диапазоне от 7 до 40 нм. При диспегировании в водном растворителе частицы ассоциируют с формированием аггломератов и образованием вторичных частиц, имеющих диаметр порядка нескольких сотен нанометров (около 500 нм).

Даже в таком ассоциированном состоянии на поверхности частиц высокодисперсного диоксида кремния имеется высокая концентрация свободных (одиночных) силанольных групп, которые обладают высокой активностью и придают поверхности подложки высоко супергидрофильные свойства. Кроме того, из-за высокой поверхностной активности и образования сетчатой структуры вследствие ассоциациирования частиц, кажущаяся молекулярная масса возрастает. Из-за высокой поверхностной активности и повышенных значений сил Ван-дер-Ваальса, способность адгезии высокодисперсного диоксида кремния к поверхности подложки возрастает, а поверхность подложки в состоянии сохранять супергидрофильность, т.е. способность обеспечивать защиту от загрязнений, в течение длительного периода времени.

Если в качестве подложки используют строительную плиту, то состав, формирующий покрытие, наносят на поверхность этой строительной плиты, после чего наносят средство для защиты от загрязнений в то время, как конечное покрытие находится в полусухом состоянии, т.е. средство для защиты от загрязнений наносят в то время, когда покрытие на поверхности подложки находится в полутвердом состоянии и обладает адгезионными свойствами, при этом высокодисперсный диоксид кремния частично внедряется в покрытие, так что адгезия защитного слоя к покрытию улучшается. Поскольку высокодисперсный диоксид кремния становится рыхлым в результате ассоциации частиц, как описано выше, он не полностью проникает в покрытие, хотя частично это может произойти. Даже, в случае расширения или сжатия покрытия вследствие адсорбции или десорбции влаги или изменения температуры окружающей среды, высокодисперсный диоксид кремния не становится частью покрытия и не целиком внедряется туда, в результате чего устойчивость к загрязнению не снижается.

Если средство для защиты от загрязнения представляет собой дисперсию высокодисперсного диоксида кремния в растворителе, содержащем спирт, воду и, предпочтительно, поверхностно-активное вещество, то смачиваемость грязезащитного агента покрытием улучшается, в результате снижения поверхностного натяжения благодаря наличию спирта и поверхностно-активного вещества, что приводит к увеличению сродства к поверхности и, таким образом, увеличению сил сцепления полученного грязезащитного слоя к покрытию. Более того, высокодисперсный диоксид кремния распределяется равномерно и не образует осадка.

Технический эффект

Благодаря использованию в грязезащитном средстве согласно настоящему изобретению высокодисперсного диоксида кремния, содержащего на поверхности частиц некоторое количество одиночных силанольных групп грязезащитное средство приобретает высокую степень адгезии к подложке и демонстрирует существенные грязезащитные свойства, которые сохраняются в течение длительного периода времени.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение будет описано ниже подробно.

[Высокодисперсный диоксид кремния]

Высокодисперсный диоксид кремния, который используется в настоящем изобретении, может быть получен путем сгорания и гидролиза летучих соединений кремния таких, как тетрахлорид кремния, в газообразном состоянии, например в кислородно-водродном пламени, как было описано выше (т.н. пирогенный кременезем).

Диаметр первичных частиц высокодисперсного кремния находится в диапазоне от 7 до 40 нм. Однако при диспергировании в водном растворителечастицы ассоциируют с образованием сетчатых структур и формированием вторичных частиц диаметром в несколько сотен нанометров (около 500 нм).

Частицы высокодисперсного диоксида кремния имеют удельную площадь поверхности в диапазоне от 500000 до 2000000 см²/г и содержат от 2 до 3 или более (при необходимости) одиночных силанольных групп на нм². Таким образом, высокодисперсный диоксид кремния обладает высокой поверхностной активностью и придает поверхности подложки высокую супергидрофильность.

[Спирт]

В настоящем изобретении желательно использовать раствор спирта в воде в качестве растворителя для диспергирования пирогенного диоксида кремния. В качестве спирта в данном изобретении желательно использовать спирт, растворимый в воде. Например, можно использовать такие спирты как метиловый, этиловый или изопропиловый. Спирт понижает поверхностное натяжение средства для защиты от загрязнений согласно настоящему изобретению и повышает сродство средства с верхним слоем подложки или с покрытием, сформированным на поверхности подложки, улучшая таким образом смачиваемость средства.

[Поверхностно-активное вещество]

Предпочтительно, средство для защиты от загрязнения согласно настоящему изобретению содержит поверхностно-активное вещество. В качестве поверхностно-активного вещества может быть использовано любое анионогенное, неионогенное и катионогенное поверхностно-активное вещество. К примерам анионогенного поверхностно-активного вещества относятся сульфаты высших спиртов (соли натрия или амина), алкилаллилсульфонаты (сульфонаты алифатических спиртов) (соли натрия или амина), алкилнафталинсульфонаты (соли натрия или амина), конденсаты алкилнафталиновых сульфонатов, алкилфосфаты, диалкилсульфосукцинаты, канифольные мыла, и соли жирных кислот (соли натрия или амина). Примерами неионногенных поверхностно-активных веществ могут служить алкиловые эфиры полиоксиэтилена, алкилфенольные эфиры полиоксиэтилена, алкиловые эфиры полиоксиэтилена, алкиловые амины полиоксиэтилена, алкилоловые амины полиоксиэтилена, алкиловые амиды полиоксиэтилена, алкиловые эфиры сорбитана и алкиловые эфиры сорбитана полиоксиэтилена. Примерами катионогенных поверхностно-активных веществ могут служить аминацетаты октадуцила, ацетаты производных имидазолина, полиалкиленовые приозводные полиамина и их соли, октадецилтриметил хлорида аммония, галогениды триметиламноэтилалкиловых амидов, сульфаты алкилпиридимов и галогениды алкилтриметила аммония. Может быть использована смесь двух или более поверхностно-активных веществ. Эти примеры не ограничивают область применения данного изобретения.

Как поверхностно-активное вещество, так и спирт понижают поверхностное натяжение средства для защиты от загрязнений, предложенного согласно настоящему изобретению, и способствуют диспергированию высокодисперсного диоксида кремния в средстве, а также повышают сродство с нижележащим слоем.

Согласно настоящему изобретению, средство для защиты от загрязнения обычно содержит от 0,1 до 10 мас.% высокодисперсного кремния, предпочтительно от 0,5 до 6 мас.%, от 2 до 10 мас.% спирта и от 0,01 до 0,25 мас.% поверхностно-активное вещество и остальное - вода.

Если количество спирта составляет менее 2 мас.%, то смачиваемость средства для защиты от загрязнений ухудшается, а если его содержание более 10% по массе, то летучесть конечного растворителя становится столь высокой, что это негативно влияет на процесс нанесения покрытия. Если поверхностно-активное вещество содержится в количестве менее 0,01% по массе, то эффект от его введения, который заключается в снижении поверхностного натяжения и диспергировании высокодисперсного диоксида кремния, незначителен, а если содержание поверхностного вещества более 0,25%, то это негативным образом влияет на прочность, влагостойкость, долговечность и другие аналогичные свойства полученного грязезащитного слоя. Таким образом, предпочтительно поверхностное натяжение грязезащитного средства согласно изобретению должно составлять не более 20 дин/см при 25°С.

Подложка, на которую наносят средство для защиты от загрязнений согласно данному изобретению в основном представляет собой строительную плиту, например материал для наружной облицовки стен. В качестве строительных плит может быть использована фибролитовая плита, изготовленная путем формования и отверждения смеси в основном состоящей из древесного армирующего материала, например древесной щепы, пучков волокон целлюлозы, древесной массы, тонкой древесной стружки или древесной муки, и гидравлических цементных материалов. Кроме того, поверхность фибролитовой плиты может иметь выпукло-вогнутый рисунок, полученный тиснением или аналогичным способом. Покрытие наносят на поверхность плиты. Покрытие получают с помощью органического состава, образующего покрытие, например кроющего состава на основе акриловой смолы, кроющего состава на основе акрил-силиконовой смолы, или состава на основе акрил-уретановой смолы, или неорганического кроющего состава, например состава на фосфатной основе или на металлооксидной основе. Обычно наносят трехслойное покрытие, состоящее из грунта, промежуточного слоя и покрывного слоя, или двухслойное покрытие, состоящее из грунта и покрывного покрытия.

При нанесении покрытия на основе кроющей композиции желательно использовать кроющую композицию на основе водной эмульсии, например, кроющий состав на основе водной эмульсии акриловой смолы. Поступают так, потому что покрытие, которое образуется в результате применения кроющего состава на основе водной эмульсии содержит гидрофильную компоненту, например поверхностно-активное вещество, и таким образом, такое покрытие обладает высоким сродством к водному средству для защиты от загрязнений.

В настоящем изобретении средство для защиты от загрязнений наносят на покрытие, полученное путем нанесения кроющего состава на поверхность подложки в то время, как покрытие находится в полусухом состоянии, а именно в полутвердом состоянии. В случае двухслойного или трехслойного покрытия средство для защиты от загрязнений наносится в то время, когда формируется покрытие, т.е. пока верхний слой покрытия находится в полусухом состоянии.

Термин "покрытие в полусухом состоянии" означает состояние, при котором раствор или вода не испарились полностью в том случае, когда используется кроющий состав на основе растворителя или кроющий состав в виде водной эмульсии или такое состояние, при котором органическое связующее или неорганическое связующее в кроющем составе не затвердело полностью, т.е. имеет место полутвердое состояние в том случае, когда используется кроющий состав без растворителя.

Как правило, покрытие приобретает «полусухое состояние» через 10-60 секунд после нанесения слоя. При использовании кроющего состава на основе растворителя или кроющего состава в виде водной эмульсии, за это время содержание твердого вещества повышается от 30-50 мас.% до 60-80 мас.%.

В течение времени, пока покрытие находится в полусухом состоянии, высокодисперсный диоксид кремния грязезащитного средства проникает в небольшом количестве в покрытие и, таким образом, сила сцепления защитного слоя с покрытием улучшается, не вызывая в то же время смешивания грязезащитного средства с покрытием.

Помимо упомянутых выше строительных плит в данном изобретении можно использовать также другие подложки, включая, например, плиты из силиката кальция, цементные (бетонные) плиты, металлические плиты или пластины и стеклянные плиты или плитки.

Предпочтительным способом нанесения грязезащитного средства на поверхность подложки является нанесение распылением. К распылительным способам нанесения покрытий относятся, например:

- нанесение покрытий посредством распыления при низком давлении в отсутствие воздуха,

- нанесение покрытий краскопультом Белла,

- электростатическое нанесение покрытий.

К другим способам нанесения покрытия относятся способы нанесения покрытия с помощью кисти, валика и шабера.

При получении покрытия с помощью распылителя грязезащитное средство измельчают до состояния воздушно-пылевой взвеси и осуществляют адгезию этой взвеси к подложке, с выпукло-вогнутой текстурой, на которой средство легко фиксируется.

Примеры 1-11, сравнительные примеры 1-3

Средства для защиты от загрязнений были изготовлены путем добавления в воду и перемешивания компонентов, которые приведены в Таблице 1.

Для диспергирования высокодисперсного диоксида кремния была использована шаровая мельница, а затем диспергирование завершалось обработкой ультразвуком в течение 40 минут. На поверхность фибролитовой плиты содержащей силикат кальция, наносили водный стирол-акриловый кроющий состав с образованием подложки, которую можно использовать для подтверждения эффекта защиты от загрязнения согласно настоящему изобретению.

На поверхность подложки, подготовленную так, как описано выше, наносили средства для защиты от загрязнения, имеющие состав, который приведен в Таблице 1. При этом количество используемого средства для защиты от загрязнений составляло 5 г на один квадратный фут, а обрабатываемая подложка предварительно была высушена при нормальной температуре для проведения тестирования.

Таблица 1Компонент (% по массе)ПримерПример для сравнения1234567891011123Высокодисперсный (пирогенный) диоксид кремния0,51,52460,51,520,51,520  Коллоидный диоксид кремния            26Поверхностно-активное вещество*     0,20,20,2      Изопропиловый спирт        555 55* лаурилсульфонат натрия

Тест 1

Каждый контрольный образец в Примерах 1-11 и Сравнительных Примерах 1-3 был установлен таким образом, что его поверхность была обращена на юг с наклоном под углом 30° и оставлен под воздействием окружающего воздуха в течение двух месяцев, для проверки наличия эффекта защиты от загрязнений. В качестве показателя степени загрязнения использовали параметр, который представляет собой разность (ΔL) яркости (L), измеренной посредством измерителя цветовой разности Minoruta CR 300. Результаты приведены в Таблице 2

Тест 2

Каждый контрольный образец в Примерах 1-11 и сравнительных примерах 1-3 был изготовлен в одинаковых условиях и промыт струей воды под высоким давлением в течение 1 мин, при этом измеряли изменение угла контакта между струей воды и контрольным образцом до и после промывки для подтверждения наличия эффекта гидрофилизации. Результаты приведены в Таблице 2.

Тест 3

Каждый контрольный образец в Примерах 1-11 и Сравнительных примерах 1-3 был изготовлен в одинаковых условиях и находился под водой при температуре 250°С в течение трех дней, при этом измеряли изменение угла контакта между струей воды и контрольным образцом до и после пребывания в воде для подтверждения эффекта гидрофилизации. Результаты приведены в Таблице 2.

[0024]

Таблица 2 ПримерПример для сравнения1234567891011123Тест 1ΔL4,83,21,61,51,34,53,31,84,43,62,06,54,11,8Тест 2Угол контакта θ (°)Перед промывкой000000000008100После промывки58250003620055310724520Тест 3Угол контакта θ (°)Перед промывкой000000000008800После промывки62320004926058300704222

Результаты Теста 1

Согласно Таблице 2, изменение яркости ΔL контрольного образца в Сравнительном примере 1, который не был обработан, составило 6,5; a ΔL=4,1 у контрольного образца в Сравнительном примере 2, который был обработан грязезащитным средством с содержанием 2% коллоидного диоксида кремния, оказалось приблизительно таким же, как ΔL=4,4 у контрольного образца в примере 9, который был обработан грязезащитным средством с содержанием 0,5 мас.% высокодисперсного диоксида кремния; ΔL=1,8 оказалось у контрольного образца в Сравнительном Примере 3, который был обработан грязезащитным средством, в котором содержится 6 мас.% коллоидного диоксида кремния, что приблизительно совпадает со значением ΔL=1,8 у контрольного образца в Примере 8, который был обработан грязезащитным средством, содержащим 2 мас.% высокодисперсного диоксида кремния; ΔL=1,6 оказалось у контрольного образца в примере 3, который был обработан грязезащитным средством, содержащим 2 мас.% высокодисперсного диоксида кремния, что намного меньше, чем ΔL=4,1 у контрольного образца в Сравнительном примере 2; a ΔL=1,3 у контрольного образца в Примере 5, обработанного грязезащитным средством, содержащим 6 мас.% высокодисперсного диоксида кремния меньше, чем ΔL=1,8 у контрольного образца в Сравнительном примере 3. Таким образом, было подтверждено, что грязезащитное средство, содержащее высокодисперсный диоксид кремния, демонстрирует более продолжительное сохранение эффекта защиты от загрязнения, чем средство, которое содержит коллоидный диоксид кремния.

Результаты тестов 2 и 3

Согласно результатам Теста 2 угол контакта θ контрольного образца Сравнительного примера 1, который не был обработан, составил 81° перед промывкой и уменьшился до 72° после промывки. Все контрольные образцы в Сравнительных примерах 2 и 3, в которых использовали коллоидный диоксид кремния, и образцы в Примерах 1-11, в которых использовали высокодисперсный диоксид кремния, имели угол контакта θ, равный 0° (θ=0^°), перед промывкой и демонстрировали хорошую гидрофильность. Однако после промывки угол контакта составил θ=45° в Сравнительном примере 2 по сравнению с углом θ=0° в Примере 3, что показывает, что поверхность, обработанная грязезащитным средством, содержащим высокодисперсный диоксид кремния, обладает большей гидрофильностью, чем поверхность, обработанная грязезащитным средством, содержащим коллоидный диоксид кремния. В Тесте 3 контрольный образец в сравнительном примере 1, который не был обработан и имел значение угла контакта 88° (θ=88°) перед промывкой и 70° (θ=70°), после промывки; все контрольные образцы в Сравнительных Примерах 2 и 3, как и в Примерах 1-11, имели угол контакта величиной 0° (θ=0°) перед промывкой, что указывает на высокое значение гидрофильности, в то время как после промывки угол был θ=42° в Сравнительном Примере 2, θ=0° в Примере 3, θ=22° в Сравнительном Примере 3 и угол θ=0° в Примере 5, что показывает, что поверхность, обработанная грязезащитным средством с коллоидным диоксидом кремния существенно снижает свою гидрофильность после промывки в воде.

Промышленное применение

Поверхность подложки, обработанная грязезащитным средством согласно настоящему изобретению, демонстрирует длительное сохранение грязезащитного эффекта, а данное грязезащитное средство придает полезные свойства строительным материалам, например, таким, как наружные стеновые материалы, которые находятся под воздействием окружающего воздуха.

Настоящее изобретение относится к средству для защиты от загрязнения поверхности фибролитовых плит и к фибролитовой плите с указанным средством. Технический результат- придание поверхности фибролитовой плиты устойчивости к загрязнениям, которая сохраняется длительное время. Средство для защиты от загрязнений, образующее супергидрофильную грязезащитную пленку после нанесения на поверхность фибролитовой плиты, содержит в мас.%: пирогенный кремнезем 0,1-10, спирт 2-10, поверхностно-активное вещество 0,01-0,25, воду - остальное. Фибролитовая плита имеет супергидрофильную грязезащитную пленку, полученную нанесением на ее поверхность с последующей сушкой указанного средства для защиты от загрязнений. Фибролитовая плита может быть получена путем предварительного нанесения кроющего состава на ее поверхность с образованием покрытия и нанесения через 10-60 сек средства для защиты от загрязнений на указанное покрытие, находящееся в полусухом состоянии, с последующей сушкой при нагревании. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Средство для защиты от загрязнений, образующее супергидрофильную грязезащитную пленку после нанесения на поверхность фибролитовой плиты, содержащее, мас.%:

пирогенный кремнезем0,1-10спирт2-10поверхностно-активное вещество0,01-0,25водаостальное