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Life Plus Silex 项目

SILEX LIFE11 ENV/BE/1046
使用创新的有机硅处理提高建筑材料的可持续性

项目目标

我们获得欧盟LIFE金融工具的资金,以实现SILEX项目目标。

该项目的总体目标是通过使用环保的有机硅憎水剂来延长由木材和/或水泥制成的建筑材料的使用寿命和可用性。相比传统的混凝土处理方法,这将减少80-90%的挥发性有机化合物的排放,并减少杀虫剂在一些木材种类(例如山楂、山毛榉)保护中的使用。

该项目由陶氏牵头,与根特大学、亚琛工业大学建筑材料研究所(IBAC)和FCBA(法国技术博览中心)合作开展。

项目信息

项目编号 = LIFE11 ENV/BE/1046

挑战

水分的进入将导致建筑材料过早的失效。它会造成混凝土的开裂、钢筋的锈蚀、木材的膨胀和尺寸变化以及对木材的生物侵蚀(通过真菌、昆虫或微生物)等现象。

现有解决方案  

Water beading on concrete substrate

现有技术解决方案可以延长木材和混凝土的使用寿命,但是最先进的技术仍然具有一些负面的环境影响,从而留下一些改进的空间。

杀虫剂用于达到木材预期的使用寿命,有机硅憎水剂用于保护混凝土结构,尽管它们在配制好之后通常会出现挥发性有机物释放的情况。

SILEX项目将解决每种建筑材料保护所面临的环境挑战:为木材使用杀虫剂和杀菌剂;在混凝土和水泥基材料处理过程中释放挥发性有机化合物(VOC)。

创新解决方案

预计使用新的有机硅产品可以降低用于延长木材使用寿命所需的杀虫剂数量,并减少水分进入时木材尺寸的不稳定性。对混凝土、水泥基材料及其配方进行全新的憎水处理,预计会减少有机挥发物的释放。

项目成果

主要的收获

在项目期间,合作伙伴开展了大量针对木材和混凝土的实验室测试和现场测试以验证:

  • 创新的低VOC疏水剂对混凝土处理的效率
  • 新型硅基疏水剂对木材处理的效率

主要项目成果如下:

  • 开发和验证新的测试方法,以评估憎水配方对木材和混凝土的性能
  • 通过实验室和室外暴露测试,开发和验证用于木材和混凝土的创新硅基憎水剂:
    • 七种用于木材的创新硅基憎水剂
    • 两种用于混凝土的新型低VOC有机硅浸渍剂(活性材料和乳液)
  • 发展工艺能力(设计工艺和处理条件)并扩大规模,以使用新的硅基憎水剂处理木材
  • 通过实验室和室外暴露测试验证新型硅基憎水配方的效率(评估初始性能和耐久性)
  • 设计并建立一个结合两种建筑材料(木材和混凝土)的最终演示品

用于混凝土的新型低VOC疏水剂;

Testing concrete

我们开发出新的混凝土浸渍憎水剂,在反应时释放出更少的 VOC。大量的实验室和室外测试证明了基于新活性材料的活性材料及其乳液作为混凝土疏水剂的性能。SILEX配方可以降低计算出的VOC释放量,从而能够将纯活性材料的VOC释放量从500降低到100 g/L以下,但不影响处理过的混凝土的耐久性。

用于木材的新型硅基疏水剂 

Testing wood

我们已经确定并开发了七种配方。它们的不同之处在于活性材料和/或分散系统的类型(水溶性、乳液、溶剂可稀释性)。在项目框架范围内生成的数据突显出它们具有不同的优点,并且可以更好地满足所考虑的不同木材种类的要求。陶氏进一步将这些配方商业化:

  • 三种水可稀释的配方:DOWSIL™ 2-9034乳液、 DOWSIL™ IE 6683乳液、DOWSIL™ 6696乳液
  • 两种水溶性憎水剂:DOWSIL™ 1-6184防水剂、 XIAMETER™ OFS-0777硅酸盐
  • 两种溶剂可稀释的配方:DOWSIL™ Z-6690防水剂、DOWSIL™ 6691 液体

当新的木材憎水剂应用于不同的木材种类时,我们观察到各种性能的增强,主要结果总结在下表中。

木材种类 结果
松木,是一种易于处理的非耐用软木的代表 松木通常很容易受到真菌腐烂的影响。 
有机硅化合物可用于部分取代杀虫剂的使用。它们可以作为控制水分动态的非成膜系统,因此可以在更长的时间内改善表面质量和适用性。SILEX项目可以在特定条件下减少杀虫剂的使用。
山毛榉,是一种著名的不耐用和尺寸不稳定硬木的代表 山毛榉由于其低耐用性和低尺寸稳定性而被认为不适合外部应用。使用有机硅化合物进行处理可以大幅延长使用寿命并提高尺寸稳定性,这对于木质覆层等建筑材料非常重要。
橡木,是欧洲一种著名的木材种类,可用于装饰/美观应用 橡木的天然耐久性不如户外使用的一些热带木材种类高。得益于创新的有机硅产品,延迟润湿与充分干燥相结合,降低了实践中的实际膨胀。处理还可以保持足够低的湿润程度,以提高橡木的耐久性。

我们进行了生命周期评估(LCA)研究,以评估7种创新型有机硅解决方案对比在以下三种情况中使用一种杀虫剂潜在的环境优势:

  • 情景 1:仅使用杀虫剂
  • 情景 2:用SILEX解决方案部分替代杀虫剂
  • 情景 3:用SILEX解决方案完全替代杀虫剂

最终的演示品

我们使用在SILEX项目框架范围内开发的创新硅基憎水剂处理了木材和混凝土,并设计和制做成不同的演示品(见图)。这些演示品将在不同合作伙伴的场所暴露超过10年,以评估疏水处理的长期性能。

Testing wood and concrete
Testing wood

查看Layman的报告,了解有关项目成果的更多详情。

后续步骤

木材市场似乎准备好采用新的技术方案,让配方生产厂家能够降低杀虫剂的使用率。与此同时,陶氏已经将七种木材防水剂商业化。这一新产品引起了市场的浓厚兴趣,表明根据最新的欧盟杀虫剂法规最大限度地减少杀虫剂使用的可能性正式市场热点。

陶氏已经开始将开发的解决方案商业化,并预计会持续改进解决方案,以满足市场需求的演变。

根据这些目标,合作伙伴也已经建立了LIFE之后的行动计划。

关于混凝土,欧洲市场尚未显现对混凝土低VOC浸渍的需求。项目期间产生的数据将成为提高客户对这项新技术的认识的关键推动因素。

主要的技术收获

开发新的混凝土疏水处理方案

在混凝土上使用硅烷是一种可以最大程度减少水进入混凝土的已知方法。最大程度地减少水和溶解的氯化物进入钢筋混凝土确实非常关键,因为溶解的氯化物会引发钢筋腐蚀。

Underside of bridge showing corroded reinforcement steel bars due to chloride ingress

图示为氯化物侵入造成的钢筋腐蚀

右图说明了硅烷处理对减少水侵入的影响

Conventional method used to measure depth of penetration of silane into concrete upper surface.

在实验室或工作现场使用不同的方法来评估疏水处理的程度。测量“渗透深度”(硅烷渗透到混凝土上层的程度)对于评估疏水剂处理的混凝土深度非常重要(然后防止水进入)。

最常见的是,为了测量硅烷处理的渗透深度,必须将混凝土样品敲碎分开。

IBAC开发了一种基于NMR的创新非破坏性方法,不仅可以测量硅烷渗透到混凝土上层的深度,还可以测量涂覆后硅烷的反应速度。

NMR测试方法

这种非破坏性方法用于在SILEX项目框架内测量选定的现有和原型疏水剂的进入和反应速度。这种创新的测试方法为疏水物与混凝土表面的反应性提供了新的见解。

NMR 测试方法用于表征一组混凝土样品,在选定的暴露于氯化物侵入的地方,分别用常规和新型的疏水剂处理。

Installation of treated concrete specimens close to a highway where de-icing salts are used during winter

在冬季使用除冰盐的高速公路附近设置处理过的混凝土样品

开发用于木材处理的新型疏水剂

木材改性旨在改善木材或木质材料的性能,主要是为了延长产品的使用寿命。更具体地说,需要提高对物理和生物侵蚀的抵抗力。鉴于木材的吸湿的特性,一个重要的目标是影响其水分动态特性。

使用直接吸收-解吸实验室测试评估了使用不同硅氧烷产品处理的三种欧洲木材品种。下图显示了如何测试用不同硅基防水剂处理的木材样品的吸水性和析出性。

Wood tested for water absorption and water desorption

苏格兰松木和山毛榉样品在实验室条件下通过真空浸渍(7 毫巴,15分钟)进行浸渍,并测试了吸水性和水析出性。我们观察到木材处理的积极影响。查看出版物 ►

Resistance against decay fungi

抵抗腐烂真菌

苏格兰松木、边材和山毛榉的样品通过真空浸渍用三种产品处理:可水解的硅烷、硅烷乳液和阳离子乳液。

处理过的木块和未经处理的对照样本暴露于两种破坏木材的担子菌:粉孢革菌和采绒革盖菌。这些测试根据 EN 113 标准进行[1]。

在恒定的气候参数(22°C,70% 相对湿度)下,将样品在人工气候室中暴露于霉蚀环境16周。在测试结束时,评估暴露于真菌的木材样品的质量损失。

Resistance against subterranean termites

针对地下白蚁

苏格兰松木、边材和山毛榉的样品通过真空浸渍用三种产品处理:可水解的硅烷、硅烷乳液和含5%活性物质的阳离子乳液。

根据 EN 117 标准,处理过的木块和未处理的对照物均暴露于白蚁[2]。

将测试木材样品连同150只北美散白蚁工蚁放在玻璃罐中的潮湿枫丹白露沙 (1体积水/4体积沙)上。每种产品重复测试六次。

在恒定的气候参数(27°C,75% 相对湿度)下,在人工气候室中将样品暴露于白蚁攻击下长达8周。在测试结束时,评估工蚁的存活率和攻击程度。

阅读国际木材保护研究小组第 47 届年会 (IRG47) 期间推介的 FCBA 出版物 ►

Wood Lab(UGent)正在探索对改性木材的水分动态进行评估

瑞士菲利根保罗谢尔研究所(PSI)使用中子传输射线照相(NEUTRA)技术的对选定的改性橡木材料进行了详细研究。该技术可以显示样品中的水进入和析出。直观的解吸实验室测试以及高端中子方法能够对改性木材的水分动态进行详细研究,从而了解处理效果。

查看最新结果 ►

目前正在UGent场地评估一些水分测量值。木材样品(未处理和用疏水剂浸渍)安装在CMM的称重传感器上。该系统定期记录木材样品的重量。天气数据通过展地附近的气象站收集。

连续水分测量追踪天气条件变化带来的水分变化。

阅读IRG47期间推介的UGent出版物 ►

[1] NF EN 113 : 1996. 木材防腐剂 – 用于测定对破坏木材的担子菌的保护效力的测试方法 - 毒性值的测定。

[2] NF EN 117 : 2004. 木材防腐剂 - 对散白蚁属物种(欧洲白蚁)的毒性值的测定(实验室方法)。

出席活动信息

过去的活动和出版物

  • 行动D4:出席不同大会/会议的合作伙伴介绍了出版物和海报。
  • 瑞典哥德堡 SLF 大会:道康宁参加了本届大会并在大会期间提交了一篇文章,文章得到大会认可,并做了演讲。 阅读文章 ►
  • 芬兰赫尔辛基第 8 届欧洲木材改性会议:UGent、FCBA 参加了会议,海报和报纸列在议程中。查看海报 ►
  • 伯明翰欧洲技术涂料大会:了解我们的推介和出版物 ►
  • 国际木材保护研究小组第 47 届年会;(IRG47 A) ►(IRG47 B) ►
  • 国际RILEM土木工程材料、系统和结构会议,关于水分的会议部分,2016年8月22日至24日,丹麦灵比
  • 土木工程无损检测国际研讨会,2015年9月15日至17日,柏林
  • 《用于木材的有机硅基浸渍疏水剂》,Jean-Paul Lecomte、Joris Van Acker、Magdalena Kutnik、Jan Van den Bulcke、Mathilde Montibus、Sabrina Salvati、Sarah Derocker 在IRG 48上的发言,2017年6月,根特(由SILEX合作伙伴UGENT 主办)阅读文章 ►
  • 《用于木材的有机硅基浸渍疏水剂》,Jean-Paul Lecomte、Joris Van Acker、Magdalena Kutnik、Jan Van den Bulcke、Mathilde Montibus、Sabrina Salvati、Sarah Derocker 在欧洲涂料大会上发言,2017年4月,纽伦堡。
  • 《用于木材的有机硅基疏水浸渍处理》,由J.-P. Lecomte、S. Sabrina Salvati、 S. Derocker、J. Van Acker、J. Van den Bulcke、M. Kutnik、M. Montibus发表,欧洲涂料杂志,2018年2月,阅读文章 (EN) ► Farbe und Lack (DE) ►
  • O. Weichold、U. Antons,《使用非破坏性单面核磁共振评估混凝土上疏水剂的性能》,基础设施 系统杂志,2015年,提交,修订版退回;
  • O. Weichold、S. Hutt、S. Keine、R. Schulte Holthausen,使用单面核磁共振在建筑材料中进行非破坏性水分测量,土木 工程中的材料、系统和结构国际 RILEM 会议议程,材料和结构中水分部分(PRO 112) 2016,361–368

项目执行摘要和成果。

在项目期间,合作伙伴为满足项目针对的建筑材料(即木材和混凝土)的预期环境效益精心筛选和调整了创新的硅基配方,并开发了测试方法以评估SILEX产品的性能。

在第二阶段,新产品通过实验室和室外暴露条件进行了测试,并对结果进行了分析。在密集测试的同时,我们还进行了旨在改进处理工业(包括大规模使用)的活动。更重要的是,我们还根据首批结果进一步优化了用于木材的硅基防水剂。

为了确保所展示的新配方的快速和有效商业化,我们已经执行了符合最严格欧盟标准的测试,以确保所开发的产品为欧盟市场做好准备。

结合了木材和混凝土的演示品采用性能最高的配方建造,并被安置在根特大学和陶氏场地。这些演示品将用作展示,以说明SILEX解决方案所带来的升级性能。

最后,在项目期间我们进行了环境影响和市场分析。

如以下报告中详述的那样,该项目已达到预期结果,现正在采取后续措施确保实现不同配方的商业化。

阅读Layman的报告 ►

我们的合作伙伴

为了实现目标,SILEX项目已经设立,以整合不同合作伙伴的专业知识:陶氏及其在有机硅配方开发方面的专业知识,根特大学在木材水分动态测量方面的经验,FCBA及其在木材处理和利用方面的知识,以及亚琛工业大学在水泥基建筑材料方面的经验。