Гидрофобизация. Теория и практика

Сураев В. Гидрофобизация. Теория и практика // Технологии строительства. 2002. №1. C.120-121

Долговечность зданий и сооружений зависит от множества факторов, но наибольшее значение имеет уровень организации защиты строительных конструкций от агрессивного воздействия окружающей среды и, в первую очередь, влаги. На практике применяются два принципиально разных способа решения этой задачи: гидроизоляция и гидрофобизация. Гидроизоляция предполагает создание на поверхности защищаемых конструкций слоя водо- и паронепроницаемого материала определенной (иногда весьма значительной) толщины или пропитку строительных изделий из пористых материалов органическим вяжущим, закрывающим поры. Принцип действия гидроизоляции хорошо известен, существует огромное количество публикаций, посвященных этому вопросу, поэтому мы подробно рассмотрим только второй метод.



Гидрофобизация - резкое снижение способности изделий и материалов смачиваться водой и водными растворами при сохранении паро- и газопроницаемости. Гидрофобные покрытия часто неправильно называют водоотталкивающими, т.к. молекулы воды не отталкиваются от них, а притягиваются, но очень слабо. Гидрофобные покрытия в виде мономолекулярных (толщиной в одну молекулу) слоев или тонких пленок получают обработкой материала растворами, эмульсиями или (реже) парами гидрофобизаторов - веществ, слабо взаимодействующих с водой, но прочно удерживающихся на поверхности. В качестве гидрофобизаторов применяют соли жирных кислот, некоторых металлов (медь, алюминий, цирконий и т.п.), катионоактивные поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также низко- и высокомолекулярные кремнийорганические и фторорганические соединения.

Не вдаваясь в суть физико-химических явлений, происходящих в процессе намокания, приведем в качестве примера опыт с двумя капиллярами, погруженными в воду. По обычному капилляру (поры строительных материалов, капилляры древесины) вода, под действием сил поверхностного натяжения, поднимается вверх (иногда на десятки метров). В то же время из капилляров, стенки которых обработаны гидрофобизатором, вода, наоборот, ?выталкивается?. Чем тоньше капилляр, тем выше вода может подняться вверх, или ?вытолкнуться? вниз




Остановимся подробнее на наиболее эффективных, долговечных и технологичных составах на основе кремнийорганики (они же - силиконовые или силоксановые).

Все кремнийорганические соединения обладают сравнительно ?рыхлой? структурой и не являются препятствием для проникновения одиночных молекул воды (материал ?дышит?). Поверхностный углеводородный слой начинает ?работать? только в тех случаях, когда влага присутствует не в газообразной форме (пар), а в виде гораздо более крупных агломератов (капель и микрокапель), что визуально и выражается как ?водоотталкивание?

В практике строительства чаще всего применяются силиконовые гидрофобизаторы (СГ) на основе:

алкилсиликонатов калия;

алкоксисиланов;

гидридсодержащих силоксанов;

гидроксилсодержащих силоксанов (каучуки).

Только гидрофобизаторы первого типа (алкилсиликонатные) относятся к категории водорастворимых соединений. Следует учитывать, что эти СГ поставляются в виде высокощелочных (рН=14) растворов (содержание воды 50-60%, остальное - алкилсиликонаты калия со щелочью в соотношении = 1:1) и требуют соблюдения соответствующих мер предосторожности. Данный тип является самым дешевым и чаще всего применяется для объемной гидрофобизации на стадии производства строительного материала (вводится вместе с водой затворения). Использование составов первого типа для поверхностной гидрофобизации требует точного соблюдения рецептуры при разведении товарного концентрата до рабочей концентрации (не более 5% по основному веществу). В противном случае возможно появление высолов, обусловленное образованием на поверхности карбонатов и гидрокарбонатов.

Нередко под видом дешевого водоразбавляемого гидрофобизатора потребителю предлагают алкилсиликонат не калия (К), а натрия (Na). Казалось бы, какая разница? И калий, и натрий ? щелочные металлы, да и алкилсиликонат натрия в растворе натриевой щелочи (NaOH) значительно дешевле.

Дело в том, что процесс гидрофобизации сопровождается образованием карбоната в результате взаимодействия отщепляемого щелочного металла с двуокисью углерода (углекислым газом). В случае наличия калия -просто карбонат (К2СО3), который частично закрывает поры материала, уплотняя его. При использовании же составов на основе алкилсиликоната натрия образуется карбонат (Na2CO3). Карбонат натрия в дальнейшем присоединяет на каждую свою молекулу 10 молекул воды, образуя так называемый кристаллогидрат, который в процессе роста (стремясь обрести присущую ему форму) разрушает структуру окружающего материала. Проще говоря, при использовании алкилсиликоната натрия параллельно идут две конкурирующие реакции - гидрофобизации и разрушения.

Неквалифицированное применение этого капризного материала может привести к непредсказуемым, а подчас и плачевным результатам. Например, превышение концентрации алкилсиликоната натрия в рабочем растворе, скорее всего, вызовет образование неуничтожимых высолов и разводов на обработанной поверхности.

К сожалению, известны случаи, когда недобросовестный продавец (умышленно или по незнанию) предоставлял недостоверную информацию о химическом составе гидрофобизатора, поэтому рекомендуется подробно изучить оригинальное описание материала от производителя (а не переработчика или перефасовщика) и самостоятельно определить, подходит ли предлагаемый состав для решения конкретной задачи. Гарантией получения высоких результатов служит приобретение гидрофобизатора у официального представителя компании, производящей (а не перерабатывающей) силиконы, крупнейшей из которых является, в частности, ?General Electric-Bayer Silicones? (официальный представитель в СНГ - ЗАО ?МСМ-Трейдинг?).

Остальные типы СГ лишены недостатков составов на основе алкилсиликоната, но отличаются повышенной стоимостью. Они поставляются в виде 100% основного вещества (реакционно-способного силикона), разбавляемого перед применением в 10 - 50 раз. По своей природе чистый силикон не совместим с водой и водными растворами, поэтому в качестве разбавителей применяются органические растворители: этиловый или изопропиловый спирты, уайт-спирит, толуол, ксилол, бензин и т.п. Для того чтобы использовать в качестве разбавителя воду, указанные типы СГ переводят в эмульсионную форму (с концентрацией основного вещества 10-70%), но их проникающая способность при поверхностной гидрофобизации ниже, чем при обработке тех же поверхностей силиконовыми материалами на органических растворителях.

Технология применения силиконовых гидрофобизаторов

Поверхностная гидрофобизация. Предусматривает нанесение на обрабатываемую поверхность рабочего состава СГ (содержание активного вещества 2-10%), получаемого разбавлением концентрата (товарная форма). Нанесение осуществляется наиболее оптимальным для данного типа СГ и обрабатываемого материала способом: распылением, окунанием, поливом, кистью или валиком.

Объемная гидрофобизация. Может выполняться как на стадии производства строительного материала, так и путем принудительной пропитки готовых конструкций.

На стадии производства строительного материала СГ вводится вместе с водой затворения в количестве, как правило, 0,15% активного вещества от массы связующего (например, цемента). Принудительная пропитка осуществляется методом инъекций (закачивания под давлением) через ?шпуры?, просверленные в массиве уже сформированного материала или конструкции пропиточного раствора с содержанием основного вещества 0,1-1,0%.

Максимальная эффективность и долговечность достигается при совмещении объемной и поверхностной гидрофобизации.

Условия, необходимые для эффективной гидрофобизации обрабатываемой поверхности силиконовыми материалами различного типа
Тип 1. Необходимо наличие углекислого газа и паров воды для перевода основного вещества в активную форму. Побочный продукт протекающих процессов - карбонат (или гидрокарбонат) щелочного металла, остающийся в порах материала. Образует защитное покрытие как ?подшиваясь? на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.

Тип 2. Необходимо наличие паров воды для перевода основного вещества в активную форму. Побочный продукт химической реакции - пары спирта, улетучивающиеся через поры материала. Образует защитное покрытие как ?подшиваясь? на материал, так и в результате взаимодействии молекул СГ между собой.

Тип 3. Наиболее универсален. Проявляет максимальную активность при наличии в обрабатываемом материале гидроксильных групп (-ОН), которые присутствуют практически во всех строительных материалах. Образует защитное покрытие, ?подшиваясь? на материал. Побочный продукт - крайне незначительное количество газообразного водорода, быстро улетучивающееся через поры материала.

Тип 4. Для перевода основного вещества в активную форму необходимо присутствие специализированных катализаторов и паров воды. Состав побочных продуктов зависит от типа используемого катализатора. Образует защитное покрытие как ?подшиваясь? на материал, так и в результате взаимодействия молекул СГ между собой.

Дополнительные эффекты, обусловленные применением силиконовых гидрофобизаторов
Кроме основного эффекта (защита от намокания), СГ сообщают конструкционным материалам ряд весьма полезных дополнительных свойств:

a) резкое повышение коррозионной стойкости и морозостойкости (как следствие отсутствия намокания

b) повышение прочностных свойств, обусловленное тем, что в процессе гидрофобизации СГ выступает как дополнительный агент, укрепляющий структуру строительного материала;

c) наличие определенных свойств ПАВ, присущих СГ типов 1 и 3, позволяет на стадии производства строительного материала (в частности, бетона) регулировать такие показатели, как подвижность, водопотребность, удобоукладываемость, зависимость пластической прочности от времени и воздухововлечение.

В частности, при производстве цемента введение указанных СГ перед стадией помола клинкера обеспечивает:

при фиксированной производительности - повышение марки цемента;

при фиксированной марке цемента - повышение производительности;

приобретение антислеживающих свойств;

значительное увеличение срока хранения и транспортировки (в т.ч. во влажной атмосфере);

возможность выпуска гид-рофобизированных цементсодержащих материалов (бетон, шифер, др.) без изменения существующей технологии производства.