具有水珠效果的木材保护 - Wacker Chemie AG


具有水珠效果的木材保护

在室外,保护木材免受湿气损害的最佳途经是采用憎水浸渍剂或涂料对木材进行处理。传统防护涂料通常每隔几年就需要重新涂覆。瓦克开发的SILRES®木材憎水剂是一种透气性硅树脂乳液,这款乳液能保护木材免受湿气影响,与传统的处理方法相比,其防潮效果更持久。

德国16%的独户住宅和联排住宅采用木制结构。现今,这种环保型材料甚至开始用于建造公寓和摩天大楼。

木材是人类历史上最古老的建筑材料之一——如今,它正经历新一轮的复兴。以斯德哥尔摩“雪松之家”(Cedar House)为例,这座13层的建筑高43米,将是世界上最高的完全使用木材的建筑物。“雪松之家”(Cedar House)采用加拿大雪松外墙,在Hagastaden高新技术区显得格外醒目,但同时它又与周围的水泥和玻璃建筑浑然一体。

重新领略木材的独特魅力

按照常理来说,木材是最佳的建筑材料:它比钢材更轻,但承重能力同样出色,且木材易于加工,应用广泛,适合工业化预制生产。此外,木材的二氧化碳排放量比其他建材要低很多。目前,木材设计约占德国所有独栋别墅和联排别墅的16%,同时也越来越受公寓大楼的青睐。

“木质建筑早已司空见惯——在这个年代,什么都可以是高科技,”德国建筑师Tom Kaden说道,他在柏林市中心时尚的普伦茨劳贝格区(Prenzlauer Berg)采用木结构设计新建了一座七层公寓大楼,并使用了木墙。

但是,这种可再生原材料有个头号天敌:水。“雨水和湿气不仅会破坏木材外观,而且会加剧蓝变真菌、霉菌和昆虫对木材的侵袭,从而对木材造成无法挽回的损害。”瓦克有机硅应用技术部门建筑保护剂开发负责人之一Albert Hausberger解释道。

因此,在户外使用木材需采取适当的处理方法对木材进行保护。化学木材防腐剂可大致分为两种:浸渍剂和成膜涂料。浸渍剂中含有蜡、树脂和油等憎水型组分,也可以添加杀真菌剂和杀虫剂。由于它们具有浸渍效果,因而能渗入木材内部,从而由内而外的保护木材。而成膜涂料的工作原理则大不相同——它们干燥后会形成完整的憎水保护膜。这种涂料体系含有基料和防腐剂,通常还有杀菌剂,从而能有效避免昆虫和霉菌的侵袭。此外,将具有紫外线吸收功能的颜料添加到成膜涂料中,能有效避免木材因阳光直射而发生灰变。成膜涂料通常包括木材着色剂、涂料和清漆。

15年多来,博格豪森工厂的室外耐候性试验墙一直经受风霜雪雨的侵袭。在自然环境中暴露17年后,经硅树脂乳液浸渍的木板(左四)上,水仍能成珠滑落。相比之下,未经处理的木板(左一)则呈现多孔表面,水分能立刻渗入其中。此外,经过处理的木板所形成的裂纹也远远少于未经处理的木板。

持久有效的保护

木材防腐剂在涂覆和干燥后,对木材具有出色的保护作用。但是,随着时间的流逝,这种保护作用也会大打折扣。浸渍剂慢慢浸出,木材着色剂逐渐变白,色漆日益剥落。这意味着需要一次又一次重新涂覆木材浸渍剂和涂料。“为了避免新涂层直接剥落,防止形成难看的边缘和不平整的表面,经过预处理的木材在涂覆新涂层之前通常需要打磨、除尘和清洗——这不但费时费力,而且价格昂贵,”瓦克有机硅建筑保护剂市场经理Sebastian Hock说道。

因此,木材防腐剂生产商一直在寻求效果更好、更持久的解决方法,为这种天然材料提供高效防腐保护。木材防腐剂中不仅含有蜡、油和树脂,而且还含有有机硅混合物。这种混合物具有天然的憎水性和极高的水蒸汽透过性。这也是数十年来硅树脂在建筑保护领域大获成功的原因所在。凭借其SILRES®产品组合,瓦克已成为全欧洲最大的有机硅建筑保护剂生产商。

硅油和硅橡胶主要由线性聚二甲基硅氧烷链构成,与之不同的是,硅树脂是一种高交联聚甲基硅氧烷。这种高交联密度往往使硅树脂变得牢固而易脆。硅树脂对矿物建材具有很强的附着力,并在建材表面形成具有持久憎水性的硅树脂网状结构。因此,硅树脂能在矿物基材上形成完美的憎水性活性物质。然而,当涂覆在木材表面后,硅树脂的功效通常会在历经几个月的风化后明显下降。其原因在于:有机硅虽然降低了木材的含水量,但不可能完全将其去除。因此,经硅树脂乳液浸渍过的木材会继续热胀冷缩,“迫使”硅树脂逐渐剥落。

不过,采用线性二甲基硅氧烷结构单元替代部分交联三官能性甲基硅氧烷,这个问题便能迎刃而解。由此形成的硅树脂更具柔性和弹性,对于易膨胀基材具有良好的附着力——因而也适用于木材。

“我们的应用工程师进行了大量的研发工作,成功合成出一种官能性硅树脂,成为配制木材防腐剂的理想选择,”瓦克有机硅建筑化学品业务团队负责人Rudolf Hager博士表示。为了顺应当前在木材保护领域使用水性产品的应用趋势——正如在建筑保护的其他领域那样——瓦克开发了一种的固含量50%的水性乳液。该产品名为SILRES® WH,通常按1:4 至1:9的比例加水稀释,然后直接涂覆在木材表面。未经稀释的SILRES® WH也可按3%的浓度添加到水性着色剂中。

“数十年来,有机硅在矿物建材保护与修复方面大获成功,如今憎水性硅树脂还能用于木材防腐,”与Albert Hausberger共同负责SILRES® WH开发工作的应用工程师Martin Sebald解释道。经硅树脂乳液——无论是以无色憎水剂形态还是作为添加剂添加到有色着色剂中——处理后,户外木材无需经常涂覆和修缮。

在云杉板表面涂覆水性浸渍剂(上图)或水性着色剂(下图),然后在中波紫外线(UV-B)下持续照射1000小时。在两次测试中,将SILRES® WH分别滴在右侧木板表面。结果,右侧木板具有明显的憎水效果。

无需杀菌剂的木材保护方案

木材浸渍剂专门用于保护木材免受腐蚀、真菌和昆虫的侵害。减少木材中的含水量可以降低木材遭受此类损害的风险。无论从生态学、毒理学,还是经济性角度考虑,这对生产商和用户而言都极具吸引力。此外,尽管憎水剂无法阻止木材因紫外线辐射而发生灰变,但在保持木材外观方面却表现卓越。出色的水珠效果充分说明憎水剂能有效保护木材。

耐候性是衡量木材用憎水剂质量最重要的指标。包括蜡在内的许多浸渍剂在风化之前都具有出色的憎水性能。但经过1至2年的露天风化或1000到2000小时的实验室加速老化之后,情况就完全不同。此时,有机蜡已完全降解,传统硅树脂出现“龟裂”,线性有机硅(即硅油)也大范围变脏。而使用SILRES® WH的情况则完全不同,初期实验室测试表明,SILRES® WH具有持久有效的憎水性能。在测试过程中,我们将云杉板放在由SILRES® WH和水按1:4比例混合而成的浸渍溶液中持续浸没三分钟。然后将测试样品和未经处理的木板在QUV测试仪中人工老化2000小时。由于木质素降解,两块木板都发生了灰变——即使憎水性有机硅也无法阻止。但是,未经处理的木板像海绵一样不断吸收水分,而浸渍后的测试样品仍保持高憎水性——水滴在样品表面成珠滑落。

SILRES ® WH混合使用可大幅提升基料含量低的木材着色剂的憎水性。

Martin Sebald 瓦克有机硅技术营销

低浓度、高效率

但是,我们可以采用其他方式防止木材发生灰变,比如,添加紫外线吸收剂或使用能隔离紫外线的特殊颜料。测试结果表明,使用经SILRES® WH改性的着色涂料处理过的木材可有效防止因阳光直射而造成的损害。

毛细吸水率通常采用漂浮测试法进行测定。参照ASTM D 5401-03标准,将未经处理的样品和浸渍后的木板表面分别暴露于紫外线中,并持续不同时间,在水中浸没15分钟后分别测量两块木板的重量。增加的重量即基材吸收的水分重量。

漂浮测试显示,太阳紫外线辐射会提高未经处理的木板的吸水性,从而导致无法弥补的损害。而采用SILRES® WH则能有效防止这种损害。该款硅树脂乳液极为高效,即使极稀的溶液也能为木材提供足够保护。

“该测试再次证明SILRES® WH具有出色的耐候性,”瓦克应用工程师Albert Hausberger表示。即使经过4000小时的中波紫外线(UV-B)照射——相当于数年的露天风化——这款硅树脂乳液仍具有出色的保护性。如果按1:4的比例稀释,其吸水率不超过15%;如果按1:9的比例稀释,其吸水率略高。通过比较可以看出,未经处理的木板样品在人工老化4000小时之后,其吸水率高达50%,也即自身重量的一半(见右图表)。

原则上,如果一开始就允许浸渍后的基材进行一定程度的风化,经SILRES® WH处理的木材也可以涂覆涂料。但需谨记一点:光滑的木材表面只吸收部分有机硅——其余部分则存留在木材表面。因此,尤其在使用高浓度木材防腐剂时,有机硅可能会降低涂料的附着力,削弱流平效果。所以, SILRES® WH不能用作底涂。

在一定程度上,木材着色剂标志着从无色浸渍剂向成膜型木器漆过渡的产品。根据颜料和基料的含量不同,木材着色剂从半透明到透明不等。最常用的基料是水溶性丙烯酸和醇酸树脂。固体含量决定了木材着色剂是薄浆型还是厚浆型。薄浆型固体含量为30%,而厚浆型固体含量则高达40%。

与传统外墙涂料相比,木材着色剂含有更多基料。因此,木材着色剂干燥后可形成憎水性薄膜。基料含量较高的优质木材着色剂还具有低吸水性。由于木材不能过度膨胀或收缩,因此着色剂必须提供良好的尺寸稳定性。令人遗憾的是,着色剂的耐候性往往不尽如人意。仅仅经过一年的室外风化,着色剂就逐渐开裂,甚至开始剥落。此时,木材会吸收更多水分。

“这为有机硅添加剂提供了一个良机,”瓦克的Sebastian Hock解释道。“即使添加少量的外加剂也能提升薄膜性能,确保涂料或着色剂具有永久憎水性。”

测试结果还显示:基料含量越低,有机硅添加剂的憎水效果就越明显。“与SILRES® WH混合使用可大幅提升基料含量低的木材着色剂的憎水性,”瓦克应用技术部门的Martin Sebald强调说。“通常,在配方中添加1%的SILRES® WH即可。”但是,良好的憎水性能使木材具有出色的耐候性和迷人的外观,他补充道。