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光固化树脂光固化技术在建筑保护中的应用

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同步进行研磨、涂布和LED 紫外线固化来处理脆性颗粒的方法紫外线固化聚氨酯-硅杂合体系的合成及性能哈哈光固化技术在建筑保护中的应用全文共计2198字,根据联合国教科文组织的数据,当今全世界在167个国家和地区一共有832处世界文化遗产。

而这些世界文化遗产中,相当一部分都是建筑物,或者包含建筑物在这些建筑物中,粘土砖是被广泛采用的一种建筑材料,也是最古老的建筑材料之一对于这些建筑物的修复和保护工作,其中很大一部分就是对这些粘土砖的修复和保护。


  意大利是当今拥有最多世界遗产的国家,中国紧跟其后为了保护粘土砖,意大利都灵理工大学(Politecnico di Torino)的Simonetta Lucia Pagliolico等人研究开发了采用光固化技术对粘土砖进行保护的方法。

图1 全球世界遗产数量列表(截止2017年7月,仅列出拥有了10个和以上遗产的国家)  Simonetta等人采用了透明的有机-无机杂合水性涂料来对粘土砖进行保护该工艺通过基于水性丙烯酸树脂采用紫外线固化这种环境友好工艺,以及对烷氧基硅烷先驱体进行温和热处理来在位反应得到纳米二氧化硅,两相结合的方法来得到纳米复合材料涂膜。

这种杂合涂料同时是一个中等的憎水剂,也不会引起粘土砖美学外观的明显变化,特别是在处理后没有光泽和颜色的改变  长期直接暴露于各种天气条件以及空气污染,会对砖石建筑造成严重的破坏对于贴面砖最为广泛的破坏是裂隙、粉化、起层、破裂、风化、起垢、结壳,以及砖层间砂浆的溶解和流失等。

图2 贴面砖的破损情况:(a)风化,(b)裂隙和起层,(c)起垢和结壳  凝结水是材料老化破坏最为熟知的主要原因之一,因此阻止水的渗透和多孔陶瓷材料的保护密切相关保护材料不受天气和污染影响的成功方法之一就是对涂料技术的应用。

涂料可以防止水的渗透、抵挡污染物,并增加可清洁性但同时涂料又不能将砖里的孔结构封闭住而使得水不能蒸发,因为这将导致砖产生云纹或者散裂涂料需要能够产生涂层,但又不能阻塞孔结构,从而保持砖墙体的良好呼吸性  涂料和原始材质之间的相容性是一个重要指标,而且处理技术应该是仅对原始材质性能的轻微改变,使得处理后的材料和未处理的底层材料相近。

对于多孔材料所使用的涂料,需要能够提供对液态水的不透性,对水蒸气的透过性,憎油性,无颜色变化,化学惰性,环境稳定性以及节能  由于丙烯酸树脂的透明性及功能多样性,它被保护者们广泛用于保护陶瓷材料不过最近人们发现基于聚氨酯的成膜材料可以用来作为建筑材料的憎水剂。

和其他树脂材料相比,聚氨酯可以提供良好的光泽和更好的持久性,附着力和机械性能,因此可以被用于防腐涂料以及木器涂料中  聚氨酯体系的齐聚体结构可以被功能化为可交联的结构,对采用(甲基)丙烯酸酯结构封端的聚氨酯在自由基光引发剂存在的情况下可以用光来进行固化。

依赖于紫外(UV)照射的工艺通常被称为紫外(紫外线)固化,不过同时也有对可见光敏感的引发系统,这意味着在太阳光照射下的固化都是可能的光固化(包括紫外和可见光照射下)使得材料的整体聚合可以在很短时间(数秒的照射,而不是热固化的数小时)之内完成,这使得其在市场上有各种广泛的应用方式变化。

  Simonetta等人采用可紫外线固化的有机-无机杂合纳米二氧化硅水性聚氨酯树脂(OIH)处理了四个样板OIH树脂的制备,是通过将氨水溶液滴加到水性离子型聚氨酯二丙烯酸酯(商品名UCECOAT 6558,分子量10,000)中,直到体系最后的pH值为9。

20%的四乙氧基硅烷(TEOS)和3%的光引发剂Darocur 1173在充分搅拌情况下被加入到混合物中

涂料采用刮棒(200微米刮棒)对砖采用湿对湿方式进行3到4次的涂布然后将砖在60℃条件下烘30分钟来使得水份蒸发,最后在氮气氛下采用功率25mW/cm²的中压汞灯紫外线照射两分钟  固化涂层中单个二氧化硅纳米颗粒具有40-50纳米的平均直径。

最后得到的有机-无机纳米结构网络中,所形成的纳米二氧化硅结构预计可以增加涂层对于含有石英成分的砖体结构的化学相似性

图3 未处理砖体的扫描电镜图:(a)表面粗糙度(正视图,500倍),(b)开孔形态(5000倍)

图4 OIH树脂的透射电镜图:采用聚氨酯二丙烯酸酯+30%TEOS涂布到玻璃板上制得的样板  整个处理完成后涂布到砖体上的OIH树脂平均量为63g/m²,这比其他研究者所进行的类似工作中的涂布量要低一些。

图5 砖体的扫描电镜图 (a)和(b) OIH处理后(50倍);(c) OIH处理后的开孔状态(15,000倍);(d) 孔壁的放大图 (50,000倍)  从图5b中可以看出,树脂渗透到砖体中的平均深度是730 ± 44微米,而且树脂被完全固化了。

事实上,当将样品进行氯仿提取时,可溶解的部分几乎可以忽略,而且几乎观察不到渗透深度的差别(平均深度值为682 ± 52微米)这说明被砖体所吸收的树脂通过辐照之后进行了聚合,而且固化非常完全,不能够被溶剂提取出来。

处理过样品的接触角得到了明显提高,超过90度,这说明处理过后的表面是高度憎水的添加憎水官能团,增加OIH树脂配方中纳米二氧化硅的含量,以及优化纳米颗粒尺寸分布,和改变渗透的深度都可以提高涂料的保护功能。

图6 未处理和处理过后砖体样板的毛细吸水量(插入图中的测试时间更长)  数据显示,涂料降低了吸水性,涂布处理过样板的吸收系数值更低同时处理并没有影响到粗糙度,光泽没有变化,也没有观察到颜色的变化不过在涂层存在的情况下,L*和a*值有少许变动,这意味着样品变得轻微的更灰和更红。

  紫外线固化的水性聚氨酯属于是环境友好型材料,而且被证明对于建筑材料(比如金属和木材)来说是良好的保护涂层和憎水剂Simonetta等人的实验表明,这种涂层可以被应用到砖体表面达到100微米深度而不会阻塞孔结构,并且不会形成一个连续的外部致密层。

砖体样品的表面润湿性被显著地降低,而且吸水性也被延缓了相信这种光固化的有机-无机杂合材料在传统建筑物的保护中,可以有更广泛的应用,从而发挥更大的功能延伸阅读功能性紫外线单体-ACMO丙烯酰吗啉快速固化紫外线 LED树脂FSP8370

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