【2018R&D100】水性奈米抗塵防污塗料 綠色好生活、清潔更輕鬆

隨著各國逐步禁用溶劑型油性塗料,水性塗料近年一躍成為環保健康的解決方案。然水性塗料撥水性差,工研院克服水性塗料先天限制,研發出耐候、防汙、撥水功能的水性奈米抗塵防污塗料,不僅為「5+2產業創新計畫」中「循環經濟」產業增添動能,也獲得2018全球百大科技研發獎入圍的肯定。

「水性奈米抗塵防污塗料」具有撥水、防汙功能,未經塗料塗布處(圖中字母圖案),極容易沾染粉塵。

生活中,常以塗料美化居家空間或建築外貌,既維持美觀,也有保護及延長建物使用壽命的作用,但常見的油性塗料(如油漆)多帶有刺激性的氣味與成分,影響身體健康。近年來,愈來愈多消費者選擇購買無毒環保的水性塗料。只是對比油性塗料,水性塗料的防汙、撥水功能就相形失色許多,要想兼顧環保與撥水、防汙等功效,水性塗料必須從原料端徹底改造。

創新奈米材料  讓水分子先親後疏

工研院材料與化學研究所應用化學組研究員湯偉鉦表示,2011年美國水性塗料大廠Behr公司主動向工研院提出合作,當時工研院已掌握了一般水性塗料的製作技術,但要加入撥水、防汙功能,卻是一點頭緒都沒有,只能從既有的塗料技術以及Behr公司提供的相關配方與材料開始著手。

「要讓水性塗料具有撥水效果,就是首要難關,」湯偉鉦說,這代表著加入水性塗料中的關鍵材料,必須兼具親水與疏水兩種截然不同的特性,不僅要有「親水性」能在生產製作塗料時充分溶於水中、不會沉澱,才能作為塗料;粉刷完畢、塗料乾燥後,材料也需要具備「疏水性」,無法再吸收任何水分,方能實現撥水的功效。

為了克服這項問題,除了從Behr公司提供的材料中,找出能夠幫助材料分散的奈米顆粒,研究團隊也想出與之配套的創新技術:先加入最少量的親水物質,讓具備疏水特性的奈米顆粒能在水中均勻分布;隨著塗料逐漸乾燥,奈米顆粒會因表面張力作用逐漸浮至塗料表面,並將原來的親水物質擠壓至下方,形成上層疏水、下層親水的「自分層」結構,同時在表面形成高密度的奈米塗膜,成功達到撥水目標,還能夠抗汙、減少髒汙附著。

目前強調能夠撥水的水性材料,大多是親水與疏水物質各半,也不具有可分層的特性,即便粉刷乾燥後,塗料表面仍同時具有親水和疏水的性質,進而降低撥水效果;且親水物質容易與水分結合流失,也會影響塗料的耐用性。工研院研發的「水性奈米抗塵防污塗料」,不僅能有效撥水、防汙,由於加入了無機材料,多了抗日照高溫的功效,除適用於室內,戶外也難不倒它。

能夠撥水、防汙都只能算是基本功能,湯偉鉦表示,可撥水的設定主要是為了避免液態物體的汙染,但是在我們生活周遭,充斥著更多無孔不入的氣態汙染物,例如PM2.5;一般水性塗料在粉刷後會留下細微的毛細孔,容易附著這類粉塵微粒,也很難清除。研究過程中,團隊當初並未規劃「防塵」特性,經改良再由Behr公司測試後,發現水性防塵抗汙塗料比其他水性塗料擁有更好的防塵性,成為一大技術特色,也是始料未及的意外收穫。

原料端與應用同時降低環境負擔

以雪山隧道為例,雖然隧道內的牆面原本都塗有白色油性漆,但受到車輛排放的廢氣汙粒附著,牆面變成暗灰色,還得委請外包商定期利用機器清洗。在比較試驗中,塗有水性防塵抗汙塗料的表面,僅需實驗用擦拭紙擦拭,一擦即淨;若採清洗方式,速度能增加2到3倍,大幅減少清潔支出。

Behr公司也在美國進行許多實地測試,比較水性防塵抗汙塗料及各種塗料的差異,結果都顯示水性奈米抗塵防污塗料的防塵抗汙效果最佳,耐磨次數更高達400次以上,更入圍2018全球百大科技研發獎,獲得國際肯定。

水性奈米抗塵防污塗料不只能廣泛用於木材、陶瓷、玻璃、水泥、石材等建材上,還能有效減少因維護所需要的各種資源消耗與碳排放、延長建築或設施的使用壽命,甚至從原料端避免使用容易產生揮發性物質的化學溶劑,進一步落實「5+2產業創新計畫」中循環經濟的綠色理念,給民眾更安心的居家環境。

工研院材料與化學研究所應用化學組研究員湯偉鉦(右2)表示,與Behr公司合作的首要難關便是要讓水性塗料具有撥水效果。

★技術亮點:提升防汙性、耐磨性與耐候性,室內戶外環境皆適用,無需使用會產生揮發性物質的化學溶劑。

(本文經工業技術與資訊授權轉載《水性防塵抗汙塗料 綠色好生活、清潔更輕鬆 》)

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