Hydrofobizacja

Hydrofobizacja kamieni marmurowych
Hydrofobizacja kamieni marmurowych

Hydrofobia (greckie hydor=woda i phobos=strach) odnosi się do silnie hydrofobowych właściwości materiału lub warstwy powierzchniowej. Cząsteczki tego materiału nie mieszają się z cząsteczkami wody, lecz pozwalają jej się staczać. Niektóre materiały są naturalnie obdarzone powierzchnią hydrofobową, ale w zdecydowanej większości przypadków warstwa hydrofobowa (środek hydrofobizujący) jest celowo nakładana na niektóre materiały, aby uczynić ich powierzchnię hydrofobową (impregnacja).

Powłoka hydrofobowa zapobiega wnikaniu wody w materiał (np. materiał budowlany) i nasiąkaniu nim. Wnikanie wilgoci jest w wielu przypadkach bardzo niekorzystne – z jednej strony wniknięta wilgoć może zamarzać podczas mrozów i powodować wykruszanie się (szkody mrozowe) z powodu rozszerzania się objętości podczas zamarzania na materiale, z drugiej strony materiały wniknięte w wilgoć tracą swoje właściwości termoizolacyjne (woda jest dobrym przewodnikiem ciepła). We wszystkich materiałach budowlanych procesy starzenia się przyspiesza również wnikanie wody.

Jakie materiały można uczynić hydrofobowymi?

Aby materiał mógł stać się hydrofobowy, czyli nieprzepuszczalny, poprzez zastosowanie środków hydrofobizujących, musi posiadać dwie podstawowe właściwości:

  • musi być porowata
  • musi być chłonny

Jeśli nie jest podana tylko jedna z tych dwóch właściwości, materiał nie może być impregnowany.

Hydrofobizacja może być zatem stosowana do:

  • Beton (wewnątrz i na zewnątrz, również w konstrukcjach budowlanych)
  • Drewno (na przykład w przemyśle stoczniowym, ale także w budownictwie)
  • wszystkie wyroby włókiennicze i skórzane
  • Płytki, armatura, umywalki, ścianki prysznicowe
  • większość ściennych materiałów budowlanych (cegły, cegły wapienno-piaskowe, mury ceglane, ale nie gipsowe materiały budowlane)
  • wiele materiałów do budowy elewacji (tynki elewacyjne, farby silikatowe do elewacji, zaprawy)
  • Kamienie naturalne (jeśli są odpowiednie)

Bardzo powszechnym zastosowaniem środków hydrofobizujących jest stosowanie ich w budynkach zabytkowych i ogólnie w zabytkach. Poprzez hydrofobizację elewacji lub warstw wierzchnich próbuje się powstrzymać postępujące starzenie się materiałów budowlanych i zachować substancję budowlaną.

Bardzo ważnym aspektem w obróbce hydrofobowej powierzchni jest utrzymanie zdolności dyfuzji pary wod nej. Dzięki temu wilgoć już znajdująca się wewnątrz może bez przeszkód wydostać się na zewnątrz (wyschnąć), a jednocześnie poprzez hydrofobizację zapobiega wnikaniu nowej wody w głąb materiału.

Sposób działania

Z chemicznego punktu widzenia, sposób działania opiera się na zmniejszeniu energii powierzchniowej materiału. Energia powierzchniowa jest wtedy niższa i nie mogą już powstać żadne wiązania pomiędzy cząsteczkami materiału a wodą, woda jest więc odpychana, ponieważ energia powierzchniowa i przyciąganie materiału jest znacznie niższe niż napięcie powierzchniowe wody.

Prostym zastosowaniem tego efektu jest efekt lotosu: Tutaj powierzchnia jest uformowana z pewnych struktur (nano-struktur) w taki sposób, że przyleganie wody jest silnie utrudnione (niska zwilżalność powierzchni). Zgodnie z tą zasadą mikrostrukturalnej powierzchni, rośliny (kwiat lotosu, ale także nasturcja czy kapusta) chronią się przed przywieraniem do nich wody i mikroorganizmów, które są dla nich szkodliwe. Również skrzydła wielu owadów mają podobnie zbudowaną powierzchnię (dodatkowy ciężar przylegającej wody upośledzałby funkcje lotu).

Sposób działania siloksanów w hydrofobizacji opiera się na dwustronnej funkcji cząsteczki: jedna strona jest przyciągająca wodę (hydrofilowa), druga odpychająca wodę (hydrofobowa). Strona hydrofilowa (przyciągająca wodę) tworzy trwałe połączenie z mineralnymi materiałami budowlanymi, strona hydrofobowa skierowana jest na zewnątrz i odpycha wodę (np. podczas zraszania powierzchni).

Ponieważ cząsteczki siloksanów są bardzo małe, podczas hydrofobizacji są one zasysane w głąb porów materiału budowlanego przez siły przyciągania kapilarnego. W ten sposób materiały budowlane mogą być hydrofobizowane aż do głębokości penetracji molekuł nawet w obrębie porów. Nawet w głębi porów nie dochodzi do absorpcji wody dzięki hydrofobizacji.

Im większa chłonność materiału budowlanego, tym więcej środka hydrofobowego należy zastosować – w przypadku kamienia naturalnego niezbędna ilość może wynosić od 0,5 l do 3 l, w zależności od rodzaju kamienia.

Popularne środki hydrofobizujące

Zasadniczo wszystkie środki hydrofobizujące tworzące warstwy oparte są na organicznych związkach krzemu. Można jednak wyróżnić różne grupy substancji:

  • Alkoksysilany
  • Acoxysiloxanes
  • Żywice silikonowe (alkilopolisiloksany)
  • Silikony alkaliczne

Większość dostępnych w handlu produktów zawiera kilka z tych aktywnych składników oraz znaczną liczbę dodatków lub adiuwantów. Sposób działania różni się w szczegółach (reakcja z wilgocią zawartą w materiale budowlanym, przez odparowanie dodanego rozpuszczalnika lub reakcja z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu), ale w końcu zawsze powstaje hydrofobowa żywica silikonowa. Powstałe cząsteczki mogą mieć jednak różną wielkość, co ostatecznie może mieć wpływ na głębokość penetracji i skuteczność impregnacji.

Produkty dostępne na rynku to pasty, roztwory na bazie wody lub rozpuszczalników albo emulsje na bazie wody.

Zalety i wady hydrofobizacji

Bardzo ważną zaletą hydrofobizacji jest z pewnością ochrona materiału budowlanego przed penetracją wody, a tym samym przed działaniem czynników atmosferycznych, pękaniem i uszkodzeniami mrozowymi (wykruszaniem się). Bardzo korzystne jest również to, że dzięki odpychaniu wody na powierzchni nie gromadzą się prawie żadne zabrudzenia, sole, algi czy grzyby. Po każdej ulewie powierzchnia jest ponownie całkowicie czysta. Oszczędza to również wiele czasochłonnych prac związanych z czyszczeniem – dotyczy to również wnętrz, np. luster w płytkach lub pod prysznicem. Spłukanie wodą usuwa już prawie wszystkie zabrudzenia, nic nie może się przykleić.

Zapobiega się również pęcznieniu i kurczeniu się “chłonnych” materiałów budowlanych oraz wnikaniu i gromadzeniu się zanieczyszczeń wewnątrz materiału budowlanego. Fakt, że hydrofobowe materiały budowlane pozostają suche przez cały czas, zapobiega również wahaniom przewodności cieplnej (utrata zdolności izolacyjnych) oraz niebezpiecznym wahaniom wytrzymałości materiału budowlanego w przypadku wchłonięcia wilgoci. Czynniki te są bardzo ważne, szczególnie przy konserwacji budynków, wiele szkodliwych efektów klimatycznych jest zredukowanych.

Wadą jest to, że nie można bezpośrednio zweryfikować rzeczywistego efektu i skuteczności środka leczniczego. Środki hydrofobizujące o bardzo niskiej zawartości substancji czynnej lub niskiej skuteczności nie mogą być rozpoznane na podstawie wyniku aplikacji. W najgorszym przypadku zakłada się wtedy efekt, który w ogóle nie występuje lub występuje minimalnie lub efekt zastosowanych środków już po krótkim czasie silnie się zmniejsza.

Również z naukowo-technicznego punktu widzenia sposób działania i wpływ poszczególnych składników jest słabo zbadany, a ze względu na liczne produkty zawierające wiele pojedynczych składników, a często także kilka składników aktywnych, trudno jest wiarygodnie ocenić ogólny wpływ produktów. Na pytanie, czy hydrofobizacja za pomocą określonego środka może w pojedynczych przypadkach zapobiec całkowitemu wyschnięciu materiału budowlanego, jak rozległy i długotrwały jest ten efekt, trudno jest odpowiedzieć w pojedynczych przypadkach nawet ekspertom. W większości przypadków nie jest możliwa stuprocentowo skuteczna obróbka hydrofobowa, ponieważ zawsze pozostaje kilka otwartych dróg, którymi woda może przedostać się do wnętrza materiału budowlanego.

Koszty hydrofobizacji, które i tak już istnieją, mogą w pojedynczych przypadkach prowadzić do zbytniego zaniedbania koniecznej ochrony budowli – co z kolei stwarza wysokie ryzyko uszkodzenia substancji budowlanej, jeżeli skuteczność hydrofobizacji jest zbyt niska, szczególnie w zakresie ochrony i konserwacji budowli.

Wniosek

Powłoki hydrofobowe są bardzo dobrym środkiem do nadania wielu materiałom budowlanym, takim jak cegły i kamienie naturalne, właściwości hydrofobowych i “samoczyszczących” (efekt nano). Powłoki hydrofobowe mogą również zaoszczędzić wiele pracy wewnątrz pomieszczeń – na przykład na lustrach kafelkowych lub ścianach prysznicowych. Również glony, grzyby i zanieczyszczenia nie mogą już gromadzić się na powierzchniach i rozwijać swoich szkodliwych właściwości.

Jednak efekt działania produktów nigdy nie może być wiarygodnie oszacowany (nawet przez eksperta), a czas trwania skuteczności jest również trudny do oszacowania z wyprzedzeniem. Częste powtórzenia prowadziłyby w końcu do bardzo wysokich, nieuzasadnionych kosztów. Przydatność danego materiału budowlanego dla określonych środków należy zdecydowanie sprawdzić z wyprzedzeniem, nie wszystkie środki są odpowiednie dla wszystkich materiałów budowlanych i kamieni naturalnych bez ograniczeń.

Jednak zalety powierzchni hydrofobowych zwykle wyraźnie przeważają nad wadami.