石材防护剂的防护机理

石材防护剂能否防水、防油、防污可通过表面能或用润湿的概念来表示，易润湿和不易润湿物体的区别取决于其表面张力，当液体表面张力（F)比固体的临界表面张力（FJ大时，液体呈球珠状，就石材而言，如果石材表面张力较大，石材就会被液体润湿，同时液体(污染物)通过毛细管渗人到石材内部而污染石材（见图2-7)。密封型防护剂的防护机理是封闭石材的毛细孔,透气型防护剂的防护机理是降低石材的表面能。各种防护材料的表面张力见表2-2。

一、密封型石材防护剂

密封型石材防护剂的防护机理是封闭石材的毛细孔，使得水、油、粉尘等污物无法侵人石材的内部，从而达到保护石材的目的，包括石蜡类石材防护剂及密封型髙分子树脂类石材防护剂，其防护原理如图2-8所示。

(一）石蜡类石材防护剂---防护层

从严格意义上讲，石蜡还算不上真正的石材防护剂,作为早期的一种石材保护材料，其一直沿用至今。

采用在石材表面涂覆石蜡的方法，在石材表面形成致密的蜡膜，从而阻隔水、油、灰尘等污物的侵人，但其防油性并不好，因为有些油性材料能将石蜡溶解，使得油、石蜡及粉尘一起侵人石材的毛细孔，从而造成

对石材更加严重的污染。实质上,石蜡是一种密封型材料,它将石材的毛细孔完全封堵，减弱了石材的透气性，使石材内部的水分或石材底部的水分无法正常排出，极易在石材上形成水斑、返碱、吐黄等石材病变。蜡膜的特性是较黏，且易受污染形成蜡垢,更不易清洗;蜡膜的耐磨性极差，需要经常打蜡才能维护其光泽。然而，如果在某些部位经常打蜡，会使该部位石材颜色变深，失去原有色彩和质感，从当初为防护的目的出发又变成了人为的石材污染。蜡的涂覆只是在地面使用且好操作，在立面及高层使用就相当困难，涂蜡后一旦蜡渗透到石材内部，一般很难清除,除非将石材表面打磨掉，费时费力，很不经济，且使以后使用新型防护剂更加困难。使用蜡防护后需要经常反复上蜡，尤其在公共场所。其耐候性也较差，更不耐磨。所以，将蜡的防护称为“暂时性”的防护。随着人们对蜡性能的逐渐认识，现在已经很少用蜡作为长久的石材防护材料了。因蜡的使用带来了新的石材病变，也出现了专门用于去除蜡的石材化学品——除蜡剂、起蜡水。

石蜡作为石材的一种保护材料，经过近几年的改进，功能上有了很大的提髙，如流动性、黏性、光泽度等都有质的改进，但是只要防护剂仍存在蜡的成分，在石材防护上就会或多或少地存在上述弊端。

虽然蜡的耐磨性较差，但它是一种较好的减磨材料，而且能够提高石材的表面光泽度，所以在一些高档宾馆的大堂等公共场所仍有应用。

(二）密封型高分子树脂类石材防护剂

密封型高分子树脂类石材防护剂主要是非渗透（填充）性膜层涂料，它是在石材表面形成一层致密的保护膜，使石材与污染源隔绝,从而达到防污、防水、防油的目的。一般是通过有机溶剂溶解或稀释一些高分子树脂材料，或者通过乳化的方法来制取这类防护剂。与石蜡相比，其防水性、耐污性、寿命、使用范围都有很大的提髙，部分产品已经有填补、渗透能力，但透气性仍较差，使石材内部及背部的水分在装修后仍不能排出，覆膜也会在一定程度上改变石材的质感和色泽(特殊要求除外），而且有些品种的耐候性不是很好，容易产生黄变、起层和脱落。其优点是防污性能较好,可承受一定的水压。由于此类防护产品多使用有机溶剂，产品易燃，有些溶剂带有一定毒性，在施工时可能对人体造成伤害或污染环境。在密封型高分子树脂类石材防护剂中，较为理想的材料为丙烯酸树脂类。

二、透气型石材防护剂

透气型石材防护剂的原理是将防护剂渗透到石材内部，在石材浅表层的毛细孔四周形成网状结构的保护膜，降低石材的表面能，从而达到防污、防水、防油等的目的，如图2-9所示。此类防护剂既能防污又不影响石材的透气性，不会使污染物滞留在石材内部，减少了产生石材病变的几率，耐候性较好，是近年来使用逐渐增多的石材防护产品，分为水剂型和溶剂型两类。

此类防护剂透气的关键是石材的孔隙、内部结构、微裂隙、孔洞等在涂刷防护剂后，仍与空气相通，形成石材内部的水分可以蒸发出去，而外部的水分或油分等污染物又不能渗入石材的特性，从而形成防水、防污、防油的功能。形成这种独特的功能是防护剂分子结构的孔隙所致，防护剂涂刷在石材表面后，经过渗透,进入石材表面及浅表层，成为一种网状的渗人薄膜层，这种薄膜层（约有3pm厚）还均匀分布着一些透气孔，这些透气孔的直径比水分子或油分子直径小，比水蒸气分子直径大。所以，当石材装饰施工后其内部或背面产生的水分，因温度升高，变成水蒸气而压力增大，从防护剂孔隙中释放出来，而由于防护剂薄膜层上的孔隙又小于外界水分子或油分子，进而外界的水或油及其含带的污染物就无法进人石材内部，达到防水、防污、防油的目的。水分子或油分子、防护剂薄膜层上的孔隙、水蒸气分子之间的直径大小关系如图2-10所示。通过图2-10可以直观地看出外界水分子或油分子的直径>透气型防护剂薄膜层通气孔隙的直径>石材内水蒸气分子的直径。

透气型石材防护剂主要包括有机硅类和有机氟类产品。有机硅类又分为甲基硅酸盐类和有机硅低聚物类。

甲基硅酸盐是一种应用最早的有机硅防水剂。它的作用机理就是涂刷在石材表面后其活性物与空气中的二氧化碳及潮气发生水解反应，生成具有憎水性的硅醇。但在碱性条件下硅醇的形成过程是可逆的，也就是说在碱性条件下这种具有防水作用的硅醇又降解为可溶性的甲基硅酸盐，从而使其防水性丧失。另外,这类材料为强碱性物质,对石材可能存在潜在的隐患，所以对文物、古建上的石材要慎用这类产品。

有机硅低聚物类石材防护剂的防护机理是涂刷在石材表层上的这些有机硅活性物在毛细作用下进人石材内部，在潮气的作用下生成轻基团，这些羟基团与石材中矿物体的轻基之间重新进行化学结合，从而在石材晶体上形成牢固的网状结构斥水膜层。由于这些硅烷和硅氧烷低聚物特有的物理和化学品性,它们渗人石材孔隙内壁后产生的非极性的保护膜，能有效阻止极性水的湿润,而且因为它们有特殊的结构，在碱性条件下比较稳定，也防止水泥基层里的碱分向外渗透和侵蚀。因此，这类防护剂具有防水性好、渗透性强、耐酸碱、耐候性好和保持透气性等优点，是目前应用最广的一类石材防护剂，其缺点是防油性能较差。

有机氟类石材防护剂是利用有机氟化物特有的低表面能特性，使一般液体无法在被其处理过的石材表面上铺展浸润，从而起到防水、防油、防污的作用。但是，这些氟化物分子结构相对较大，渗透能力不如有机硅产品,防水持久性也比较差，而且成本相对较高。

有机硅材料防水性较好，但防油性能较差;而有机氟材料虽然防油性较好，但防水性却不够理想。为了克服这些缺点，可以用有机硅对有机氟材料进行改性处理，使改性后的新防护产品既有好的防水能力，又有较强的防油能力。

有机硅和有机氟都有极佳的耐候性，由于其石材防护剂的黏度低，与石材成分可以适当地起反应和渗透较深,使得它们受紫外线的影响小，延长了使用寿命。据资料报道，有机硅石材防护剂一般耐候性至少在10年以上，而有机氟石材防护剂一般耐候性至少在15年以上。