Гидрофобизаторы. Обзор.

УДК 69
Баранов Евгений Евгеньевич Менеджер по технической поддержке АО МАПЕИ, 142800, Россия, Московская область, г. Ступино, ул. Академика Белова, 5, e.baranov@mapei.ru

В современном строительстве за последние несколько десятилетий появилось множество технических решений по формированию облика фасадов здания как на одноквартирных, так и на многоквартирных домах. Акцент сместился в область эстетических и теплоемких материалов. Уже далеко не редкость видеть применение штучных материалов, в том числе и натурального камня на фасадах зданий. Однако, за кажущейся простотой таких технических решений лежит наукоемкая технология, основанная на системном подходе корректного подбора материалов и решений, базирующегося на фундаментальных законах физики и химии.  Не является секретом, что даже крайне удачные технические решения «на бумаге» и в лабораторных условиях ведут себя достаточно эффективно, но на реальных объектах, уже после года эксплуатации происходит появление дефектов, а иногда и разрушение конструкции. Эти проблемы, естественно носят многогранный характер на всех этапах строительства, но зачастую связаны с воздействиями, окружающими среды, а в частности — осадков. Наш подход, заключается в том, что необходимо  защищать конструкцию от всех видов влаги, где это возможно. Ведь ремонт элементов зачастую многократно превосходит стоимость материалов и работ по влагозащите и гидроизоляции. В данной статье мы предложим технологии и материалы компании Мapei для гидрофобизации поверхности продуктами на основе соединений кремния.

Традиционно, наиболее распространенный способ влагозащиты материалов – покрытие поверхности твердого вещества жирами или восками. На этом основана, например, пропитка дерева, тканей и бумаг маслами, парафинами, церезином, галоваксом и другими веществами. Однако, данный способ для влагозащиты строительных облицовочных материалов трудновыполним, т.к. сравнительно высокая вязкость и плохое проникновение масел и восков в поры гидрофильных веществ различных плотностей не обеспечивают полного покрытия поверхности, достаточной гидрофобности, т.е. необходимого уровня устранения водопоглощаемости. Кроме того, такие покрытия не обладают достаточно высокой термической и механической прочностью, долговечностью, ухудшают некоторые свойства защищаемого материала: понижают воздухопроницаемость, ухудшают внешний вид и т.д.

Крайне востребованным и наиболее перспективным методом влагозащиты является применение гидрофобизаторов на основе силикона.  Силиконы – это выпускаемые в промышленном масштабе синтетические органические соединения кремния. С точки зрения номенклатуры химических соединений это название не точно, но в наши дни, когда число типов кремнеорганических материалов постоянно растет, применение такого краткого названия имеет практический смысл. Хотя ряд силиконовых продуктов и применяется в виде мономеров, после переработки многие изделия имеют высокомолекулярную структуру.

Гидрофобные свойства применяемых гидрофобизаторов, равно, как и их эффективность объясняются химическим строением данных соединений. Например, если посмотреть на молекулу полисилоксанов (Рис. 1), видно, что данное соединение имеет спиралевидную структуру с большой концентрацией метильных групп с атомами водорода (в виде кружков белого цвета по всей длине цепи). На данном рисунке цепь изображена в относительно развернутом виде, обычно она свернута в большей степени, так как силоксановый скелет находится в центре, а алкильные группы на внешней стороне цепи. Результатом такого строения является полное отсутствие адгезии почти ко всем материалам. Изменяя длину силоксановых цепей, заменяя метильные группы, например фенильными и винильными или просто водородом, варьируя разветвленность цепей или плотность сшивания, используя реакции конденсации или горячей вулканизации, можно получать целый класс соединений, практически с нулевой адгезией. Особенно антиадгезионные свойства таких соединений проявляются по отношению к воде, и при правильном применении они являются одними из лучших гидрофобизирующих агентов. Молекулы силиконов должны быть зафиксированы на поверхности таким образом, чтобы основной ионный полярный скелет, обладающих отличной адгезией был ориентирован к поверхности, а органические группы в обратном направлении, где бы они могли полностью проявить гидрофобные свойства [1].

Более того для того, чтобы гидрофобизатор обладал необходимыми потребительским свойствами одной гидрофобности недостаточно, необходимо также низкое поверхностное натяжение соединений силиконов, для того чтобы их легко можно было перевести в эмульсию. Кроме этого, необходимо достигнуть в готовом продукте достаточного уровня паропроницаемости – это достигается синтезом соединений силикона с большим мольным объемом, при котором молекулы не полностью занимают пространство и не препятствуют легкости диффузии паров. Действительно, если создавать покрытия не паропроницаемые, то в современных системах утепления, особенно с применением «волокнистых» утеплителей, проблема намокания данной изоляции встаёт особенно остро, вследствие потери теплоемкости всего внешнего контура здания. Таким образом, создание гидрофобизатора, который с одной стороны обладает высокими проникающими способностями и гидрофобностью, а с другой не должен воздействовать на строение (снижение паропроницаемости, изменение цвета облицовки) на длительный промежуток времени является сложной технической задачей. И к выбору продуктов, представленных на строительном рынке, необходимо подходить с особой тщательностью, использовать только зарекомендовавшие себя продукты надежных производителей.

В настоящий момент все многообразие продуктов данной линии материалов сводится к нескольким типом кремнийорганических соединений: сила­ны, силоксаны, силиконаты. Благодаря наличию функ­ционально­ — активных групп (≡Si-­OН,≡Si-­Н, ≡Si-­OR) кремнийорганические соединения химически взаимодействуют с гидроксильными группами металлов (в составе строительных материалов), например кальция, магния, алюминия минерального материала с образованием связей Ме-О-Si≡.Кроме того, кремнийорганические соединения подвергаются дальнейшей поликонденсации с образованием связей ≡Si-­O-­Si≡.

Таким образом, в результате процессов сорбции, по­верхностных химических реакций и при наличии гидро­фобных радикалов у атома кремния (≡Si­-R) стенки пор обработанного гидрофобизатором материала обволаки­ваются тончайшей невидимой полимерной пленкой, теряют способность смачиваться водой и капиллярно ее всасывать (Рис. 2,3). Образовавшаяся при этом пленка (практически это мономолекулярный слой кремнийорганического полимера) сохраняет газо­ — и паропроницаемость материала. Такие мероприятия позволяют существенно снизить теплопотери, в 2–5 раз повысить коррозионную стой­ кость материалов, изделий или их защитных слоев, а также штукатурок, стяжек, шпаклевок, что, в конечном счете в 2–5 раз продлевает межремонтный срок службы ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий [2].

Компания Мapei  в своих научно – исследовательских лабораториях постоянно изучает химию соединений кремния. В данном вопросе за многие годы разработок накопился огромный практический опыт и, как следствие, на рынок были выпущены целые линии продуктов, основанных на силиконах, силанах, силоксанах и других соединений кремния. Крайне хорошо себя зарекомдовали на объектах по всему миру гидрофобизаторы, представленных ниже.

Необходимо отметить, что применение кремнийорганических гидрофобизаторов производства Мapei технологически несложно и не требует дорогостоящего оборудования. Экономи­ческая эффективность гидрофобизации обусловлена невысокой стоимостью и низким расходом продуктов, при этом обеспечивается сохранение первоначального внешнего вида, снижение потерь тепла и надежная защита строительных материалов, сооружений и конструкций на длительный период. В настоящее время данные материалы на строительном рынке представлены в трех модификациях:

• Antipluviol (Рис. 3) — бесцветная жидкость на основе силиконовых соединений в водном растворе;
• Antipluviol W (Рис. 4) — бесцветная водоотталкивающая пропитка на основе силановых и силоксановых смол в водном растворе;
• Antipluviol S (Рис. 5) — бесцветная жидкость на основе силоксановых смол в растворителе.

Данные продукты при нанесении на пористую поверхность глубоко проникают и реагируют с естественной влагой, формируя водоотталкивающий слой внутри пор и капилляров. Кроме того, гидрофобизаторы формируют эффективную защиту от агрессивных веществ, присутствующих в атмосфере и попадающих внутрь конструкций вместе с дождевой водой. Данные продукты не создают пленку на поверхности, поэтому паропроницаемость основания не изменяется и внешний вид поверхности остается практически неизменным. Гидрофобизаторы имеют отличную устойчивость к щелочи, присутствующей в цементных материалах и к ультрафиолетовому излучению. При рассмотрении представленных фотографий, видно, как меняется смачивающая способность, т.е. гидрофобность продуктов по краевому углу смачивания поверхности.

Эффективность и долговечность водоотталкивающего действия Antipluviol,  Antipluviol W, Antipluviol S зависит от глубины проникновения продукта. Этот параметр непосредственно пропорционален впитывающей способности обрабатываемого материала и количеству наносимого гидрофобизатора. По этой причине, нижеприведенные значения длительности эксплуатации имеют рекомендательный характер:

• Antipluviol: максимум 1-2 года;
• Antipluviol W: +/- 4-5 лет;
• Antipluviol S: +/- 5-7 лет.

Показатели двух продуктов представлены в Таблице 1. Как видно из представленных данных эффективность продуктов довольно сильно отличается и может достигать существенных значений на разных материалах. Это зависит не только от природы материалов, но и от содержания твердых веществ по массовой доле. Коэффициент капиллярной впитываемости является количественной мерой для определения эффективности продуктов.

Таблица 1

Показатель	Antipluviol	Antipluviol W
Содержание твёрдых веществ (%)	5	8
Коэффициент капиллярной впитываемости воды W24 (EN 1062-3) [кг/(м2 *ч0,5)]	До / после обработки	До / после обработки
— облицовочный кирпич	15, 6 / 0,04	15, 6 / 0,04
— обычная штукатурка	10,4 / 0,05	10,4 / 0,03
— туфовый камень	6,8 / 0,07	6,8 / 0,06
— цементная шпаклевка	4,9 / 0,38	4,9 / 0,05

Показатели Antipluviol S продукта представлены в Таблице 2. Antipluviol S является не только гидрофобизатором, но и обладает показателям как защитное покрытие, а именно отвечает основным требованиям ГОСТ 32017-2012 [3] и EN 1504, EN 1504-2:

• гидрофобизирующие пропитки (Н);
• защита от проникновения (Pl);
• контроль влажности (МС);
• повышение электрического сопротивления (IR).

Таблица 2

Тест, стандарт	Соответствие требованиям	Показатель
глубина проникновения, EN 1504 — 2	проникновение (мм)	4 (класс I < 10 мм)
водопоглощение и устойчивость к щелочам, EN 13580	коэффициент поглощения по сравнению с необработанной поверхностью (%):	2,6
	коэффициент поглощения по сравнению с необработанной поверхностью после погружения в щелочи (%):	6,6
потеря массы после циклов замораживания оттаивания с антиобледенительными солями	кол-во циклов для обработанной пов-ти 9	> 50
	кол-во циклов для необработанной пов-ти	9
	∆ циклов обработанная — необработанная	> 41
	результат/класс:	соответствует (∆ циклов > 20)

Гидрофобизаторы производства компании Mapei вследствие высокой эффективности, универсальности, а также простоты использования нашли широкое применение как на отечественных, так и на зарубежных строительных площадках.

БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК

1. Шетц М. Силиконовый каучук / Издательство химия: Л: 1975
2. Шилова М. В. Силиконовые продукты для защиты силикатных материалов от атмосферных воздействий / Силикатный кирпич: наука и практика / Журнал Строительные материалы: М: 2010
3. ГОСТ 32017-2012 Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных и железобетонных конструкций. Требования к системам защиты бетона при ремонте: М: 2012