Farby z efektem samooczyszczenia powłoki

Powłoki malarskie na elewacjach przy ruchliwych ulicach nie muszą szybko ulegać zabrudzeniu, jeśli zastosuje się odpowiednie farby.
Wielokrotnie przejeżdżając obok budynków blisko usytuowanych przy drogach zauważyć można elewacje pokryte brudem pochodzącym z kurzu, sadzy, piasku i innych zanieczyszczeń, które są rozprowadzane wraz z deszczem po całej fasadzie. Co jakiś czas właściciele domów myją elewacje różnymi sposobami mechanicznymi (np. myjką ciśnieniową). A gdyby tak wykorzystać deszcz jako czynnik wspomagający mycie elewacji? Wiele lat naukowcy z całego świata z różnych ośrodków badawczych pracowali nad tym problemem i dziś możemy zobaczyć tego efekt w postaci powłok malarskich określanych mianem samoczyszczących.

Terminem „retencja brudu” określa się stopień zabrudzenia powłoki malarskiej po badaniu odporności na zabrudzenie w stosunku do powłoki przed badaniem. Wskaźnik retencji brudu oblicza się ze wzoru wykonując pomiary składowej L* według systemu CIE L*a*b* dla powłoki poddawanej badaniu (L*B) oraz powłoki nie poddawanej badaniu (L*A). Badanie odporności na zabrudzenie powłoki i jej zdolności do oczyszczania prowadzi się na płytkach znormalizowanych ustawionych pod kątem 45°, które są pokrywane mieszaniną substancji brudzących o temperaturze 50°C co 5 minut przez 25 cykli. Po tym czasie powłoki poddaje się pomiarom współrzędnej L* za pomocą spektrofotometru oraz wykonuje się pomiar dla powłoki nie poddawanej działaniu mieszaniny brudzącej. Po podstawieniu do odpowiedniego wzoru otrzymuje się wskaźnik zabrudzenia powłoki. Według MBAP (Metod Badawczych Artura Pałasza) badanie prowadzone jest dodatkowo jako zdolność powłoki do oczyszczania się z brudu pod wpływem działania wody przez 5 godzin. Po tym czasie również wykonuje się pomiar barwy, a wyniki poparte obliczeniami przedstawia się na wykresach.

Podczas licznych badań odporności powłok na retencję brudu, a więc gromadzenie się na powierzchni powłoki zanieczyszczeń, stwierdzono, że największe zabrudzenie występuje w powłokach uzyskanych z farb o niskim stężeniu objętościowym pigmentów i napełniaczy. Termin SOP, a więc Stężenie Objętościowe Pigmentów i napełniaczy, określa w farbach stosunek suchej objętości pigmentów i napełniaczy do całkowitej objętości suchej pozostałości. Dla przykładu farby dyspersyjne o SOP 76, SOP 60 i SOP 40 wykazały następujące wskaźniki zabrudzenia:

SOP 76

SOP 60

SOP 40

17

38

35

Jak widać, farba o najniższym SOP wynoszącym 40% wykazała najwyższy wskaźnik zabrudzenia w stosunku do farby o SOP 76%, której indeks zabrudzenia wynosił 17 [1]. Na fot. 1 i rys. 1 przedstawiono efekt mechanizmu samooczyszczania powłoki.

Fot. 1. Oczyszczanie powłoki
z zanieczyszczeń przez
krople wody
 
Rys. 1. Mechanizm
oczyszczania

Zabrudzenia na powłokach farb, głównie elewacyjnych z dodatkami odpowiednich wosków lub silikonów umożliwiających osiągnięcie efektu samooczyszczenia, zostają usunięte wraz z opadami deszczu lub przy myciu elewacji wodą [2]. Zdolność powłoki do oczyszczania się z brudu pod wpływem deszczu spowodowana jest napięciem powierzchniowym na granicy faz (kropli wody i powłoki). W typowych spoiwach dyspersyjnych kąt zwilżania wynosi około 80°, natomiast w żywicach silikonowych około 130°. Na rys. 2 i 3 przedstawiono kąt zwilżania dla powłoki dyspersji styrenowo-akrylowej oraz żywicy silikonowej [2].
Jak pokazały badania laboratoryjne, najwyższą odpornością na retencję brudu wykazały powłoki, których kąt zwilżania wynosił od 120-130° oraz, jak wspomniano wcześniej, w zależności od SOP.{mospagebreak}
Odpowiedni dobór surowców w farbach, w jakich chcemy uzyskać efekt samooczyszczenia, nie jest jedynie podyktowany spoiwem czy też środkami hydrofobizującymi. Na własność samooczyszczania mają wpływ również m.in. wypełniacze [2]. Na rynku istnieje wiele farb dyspersyjnych do malowania elewacji, które przy porównaniach tendencji do gromadzenia brudu i samooczyszczania powłoki wypadają bardzo różnie. Należy pamiętać, że efektu „odpychania” brudu i samoczyszczenia nie uzyska się jedynie poprzez zastosowanie silikonów hydrofobizujących, co można spotkać w wielu recepturach startowych czy też publikacjach producentów żywic silikonowych. 

Rys. 3. Kąt zwilżania powłoki
badanej żywicy silikonowej
 
Rys. 2. Kąt zwilżania powłoki
badanej dyspersji
styrenowo-akrylowej

 Największą zdolnością do samooczyszczania cechują się farby silikatowe (krzemianowe) na bazie szkła wodnego potasowego (K2SiO3). Farby silikatowe z odpowiednio dobranym składem chemicznym cechuje bardzo duża odporność na zatrzymywanie brudu w powłoce oraz jej zdolność do oczyszczania się pod wpływem np. opadów deszczu. Farby silikatowe, należy pokreślić, iż mogą być nazywane silikatowy-mi, a więc krzemianowymi, gdy zawartość spoiw organicznych jest nie większa niż 5% całości składu (licząc jako suchą masę polimeru). Szkło wodne wysycha w wyniku reakcji z dwutlenkiem węgla z powietrza, wydziela się w efekcie takiej reakcji żel kwasu krzemowego, jednak proces wysychania można przyspieszyć poprzez wprowadzenie np. fl uorokrzemianu sodowego. Taka kompozycja z odpowiednio dobranymi pigmentami (wysokie pH całego układu) oraz wypełniaczami krzemianowymi i dodatkami hydrofobizującymi pozwala na uzyskanie najlepszego efektu odpychania brudu. Dodatkowo farby tego typu cechuje wysoka przepuszczalność pary wodnej, a więc niski współczynnik oporu dyfuzyjnego powłoki.
Farby silikatowe oraz inne do malowania elewacji budynków, jakie znajdują się na rynku, charakteryzują się zróżnicowanymi własnościami w zakresie odporności na brudzenie. Należy podkreślić, że tylko właściwie dobrana metodyka badawcza i ocena własności samoczyszczenia, a także wiedza o surowcach i ich własnościach pozwolić może na stworzenie wyrobów w pełni posiadających zdolność samooczyszczania. Na rynku znajduje się wiele farb, których producenci powołują się na „samoczyszczenia” wynikające z danych producentów surowców – silikonów do hydrofobizacji, jednak te nie zawsze są poparte badaniami, lecz jedynie czystą teorią, która się nie sprawdza w praktyce.
Mam nadzieję, że artykuł pozwoli Państwu na wprowadzenie w temat farb z efektem samoczyszczenia i sprawi, że przy wyborze farby będą się Państwo kierowali wynikami badań (o wyniki badań wykonawca może i powinien zwrócić się do producenta danej farby), a nie tylko niejasnymi hasłami reklamowymi.
ARTUR PAŁASZ
OBR ChB, Polaris
Literatura
[1] W. Heilen, Silicone resin and their combinations Vincentz 2005, str. 78-80.
[2] A. Pałasz, Woda i wilgoć. Powłoki malarskie w ochronie przeciwwilgociowej budynków, referat „Coatings Colloquium” w przygotowaniu, OBR Chemii Budowlanej, Polaris, Nowa Dęba, 2007.

ZAMÓW PRENUMERATĘ

Artykuł zamieszczony 
w „Inżynierze budownictwa”, 
maj 2007.