CN101289619B - 一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料，该复合材料的主要成分由主剂、固化剂和分散剂组成，其中所述主剂成分为有机硅改性无机硅酸钾水基乳液。本发明还提供了一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法。本发明加固材料为无色半透明或带淡蓝色的中性水溶液，具有良好的稳定性，室温下放置6个月，不分层，无明显沉淀；主剂为有机硅改性无机硅酸钾复合材料，具有良好的渗透性和加固效果；土体加固后不改变土遗址的外观，具有良好的耐候、耐老化、憎水、无毒无腐蚀等性能。

Description

一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种土遗址土体加固用材料，本发明同时涉及一种土遗址土体加固用材料的制备方法。
背景技术
土遗址风蚀风化是文物界面临的重要课题，为了采取科学的保护措施使它们得到妥善保护，采取化学材料对其进行表面加固是防止土遗址风化的一种重要手段，因此，研制一种新型、有效的土遗址加固材料，对保护南方潮湿环境下的土遗址有着重要意义。
用于土遗址加固保护用的材料主要有无机材料、有机材料及无机-有机复合材料。无机材料的优点是抗老化性好，价格低，对文物的外观影响不大；缺点是收缩性大，耐水性差，加固效果不显著，只能在土遗址表面形成一层坚硬的保护层，容易形成两张皮而脱落，同时又产生新的可溶性盐，有溶解、交换、迁移和结晶等变化，对文物又会产生结晶破坏。有机材料具有耐水、耐腐蚀、强度高、加工性能好等特点，但也存在一定的缺点：如耐老化性差，价格高等。如采用德国生产的PalaloidB-72用于古瓷、玻璃、砖石等的粘合剂可以修复破碎的文物。该材料渗透性较好，耐老化性好，缺点是表面形成无色透明的膜，并发亮，有损文物的外观。
有机-无机复合材料既具有无机材料的耐老化性和渗透性，又具有有机材料的柔韧性、疏水性及结合力，能形成高度分散的体系，优势互补。在土遗址保护中具有广阔的市场前景。
目前中国发现的具有重要历史意义的土遗址大多分布在宁夏、陕西、甘肃、内蒙古、新疆等西北地区，这些地区是典型的大陆性气候，主要特点是干燥，因此研究较多的土遗址保护材料主要考虑抗风蚀和防雨水冲刷，如PS、含氟聚合物、丙烯酸非水分散体系，对于加固西部干燥环境下的土遗址试验已经取得了一定成效。但对南方地区如广东、四川、福建，终年潮湿，降水量较多，土遗址含水量比较高时加固试验则存在一定问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型土遗址土体加固用有机-无机复合材料，该材料可加固南方潮湿环境下的土遗址，并且加固效果良好。
本发明的另一目的是提供上述土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，该方法工艺简单，有利于推广应用和规模生产。
本发明的目的之一通过以下技术方案予以实现：
一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料，其特征在于，该复合材料的主要成分由主剂、固化剂和分散剂组成，其中
所述的主剂成分为有机硅改性无机硅酸钾水基乳液；
所述的固化剂为氟硅酸钙或氟硅酸钠；
所述的分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物；
所述的主剂、固化剂和分散剂的质量比1∶0.01～0.02∶0.001～0.002；
所述的主剂成分有机硅改性无机硅酸钾水基乳液通过如下方法制备获得：首先在反应容器中将无机硅酸钾用水稀释，升温至40～70℃，高速搅拌，然后将硅溶胶水溶液逐渐加入所述的反应器，得到模数为3.5～4的硅酸钾溶液，然后降低搅拌速度，将上述体系的pH值用稀盐酸调节为6～8，在1～4小时内，将正硅酸酯和烷基烷氧基硅烷组成的混合有机硅单体缓慢滴加至制备好的硅酸钾溶液中，然后升温至60～90℃，继续搅拌1～4小时，以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得到有机硅改性无机硅酸钾水基乳液；其中所述的正硅酸酯的结构式为：Si(OCnH2n+1)4，其中n＝1，2，3，4；所述的烷基烷氧基硅烷的结构式为R-Si(OR′)3，或其不同结构烷基烷氧基硅烷的混合物，其中R’为甲基或乙基，R为苯基、甲基、乙基或碳原子数大于2小于9的长链烷基；所述反应原料的质量用量比为正硅酸酯∶烷基烷氧基硅烷∶硅溶胶∶硅酸钾＝0.015～0.1∶0.05～0.5∶0.3～0.5∶1。
本发明的目的之二通过以下技术方案予以实现：
一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，首先在反应容器中将无机硅酸钾用水稀释，升温至40～70℃，高速搅拌，然后将硅溶胶水溶液逐渐加入所述的反应器，得到模数为3.5～4的硅酸钾溶液，然后降低搅拌速度，将上述体系的pH值用稀盐酸调节为6～8，在1～4小时内，将正硅酸酯和烷基烷氧基硅烷组成的混合有机硅单体缓慢滴加至制备好的硅酸钾溶液中，然后升温至60～90℃，继续搅拌1～4小时，以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得到有机硅改性无机硅酸钾水基乳液，将所述固化剂和所述分散剂加入水中搅拌均匀后再加入所述的乳液中，即得土遗址土体加固用有机-无机复合材料，其中
所述的无机硅酸钾K2SiO3的模数为2.5～3.2；
所述的硅溶胶为无定形二氧化硅胶体粒子在水中的分散体系；
所述的正硅酸酯的结构式为：Si(OCnH2n+1)4，其中n＝1，2，3，4；
所述的烷基烷氧基硅烷的结构式为R-Si(OR′)3，或其不同结构烷基烷氧基硅烷的混合物，其中R’为甲基或乙基，R为苯基、甲基、乙基或碳原子数大于2小于9的长链烷基；
所述反应原料的质量用量比为正硅酸酯∶烷基烷氧基硅烷∶硅溶胶∶硅酸钾＝0.015～0.1∶0.05～0.5∶0.3～0.5∶1。
本发明提供的土遗址土体加固用有机-无机复合材料为无色半透明或带淡蓝色的中性水溶液，具有良好的稳定性，室温下放置6个月，不分层，无明显沉淀；主剂为有机硅改性无机硅酸钾复合材料，具有良好的渗透性和加固效果；土体加固后不改变土遗址的外观，具有良好的耐候、耐老化、憎水、无毒无腐蚀等性能。
本发明提供的土遗址土体加固用有机-无机复合材料与现有土加固材料相比，具有如下优点：
1)本发明材料的分子结构中含有烷基又带有硅氧链，因此，它具有高聚物的柔韧性、抗水性，又具有无机材料的抗老化性。土质、岩土质的结构与有机硅改性无机硅酸钾复合材料的结构有一定的相似性，都含有Si-O键。用本发明材料加固土遗址的优点是：渗透性好，渗透时间短，耐老化性好，结合力强。渗透液在土质中固化后像一张网，在各空隙之间形成一种以土质为基体、本发明材料为增强剂的复合材料，使内部结构更加致密，从而可提高土质文物的整体强度。
2)本发明材料通过有机硅改性生成了硅酸盐的复盐和复杂的络合物，提高了与土体的结合力，并具有优异的渗透性、耐水性和耐候性，能够对潮湿环境下的土质文物进行有效持久的保护或修复。解决了普通的加固材料用于土遗址时存在渗透性、耐水性和耐候性差等问题。
3)本发明材料中的硅溶胶是以水为分散相的无机高分子聚偏硅酸胶体溶液，颗粒细微，析胶时的二氧化硅具有较高的活性，能与无机硅酸钾生成新的硅酸盐无机高分子化合物，对土体的渗透力强，形成较硬的膜，并且附着力较强。
4)本发明材料的老化产物为二氧化硅，能够在预期失效后被再次处理，并保持同样特性。
5)本发明材料使用方便，环境友好：施工简单，挥发物是水，对环境友好。
具体实施方式
下面给出实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施案例只用于本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对发明做出一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)采用共混体系制备一定模数的硅酸钾溶液
将100g去离子水作为溶剂置于反应器中并进行搅拌。将20.0g模数为2.8的硅酸钾溶液加入到反应器中，升温至40℃，调搅拌速度为3000r/min，逐渐加入硅溶胶8.0g溶液高速搅拌2h，即得模数为3.3的硅酸钾溶液。
2)采用水解-缩合体系制备有机硅改性硅酸钾溶液
降低搅拌速度，升温至70℃，以稀盐酸调节将上述体系的pH值调节为6～8，调搅拌速度为700r/min，缓慢滴加2.0g有机硅单体混合物(正硅酸甲酯∶甲基三甲氧基硅烷∶苯基三乙氧基硅烷∶辛基硅烷＝1∶0.25∶0.1∶0.05)，滴加完后，在70℃保持反应2h，然后升温至85℃，继续反应2h，得到浅蓝色溶液。以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得有机硅改性无机硅酸钾复合乳液。
3)将所述固化剂氟硅酸钠1.0g和所述分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物0.1g加入适量水中搅拌均匀后，再加入所述的100g复合乳液中，即得所述的加固材料。
实施例2
本实施例土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)采用共混体系制备一定模数的硅酸钾溶液
将100g去离子水作为溶剂置于反应器中并进行搅拌。将20.0g硅酸钾溶液加入到反应器中，升温至70℃，调搅拌速度为3000r/min，逐渐加入硅溶胶11.0g溶液高速搅拌2h，即得模数为3.5的硅酸钾溶液。
2)采用水解-缩合体系制备有机硅改性硅酸钾溶液
降低搅拌速度，保持温度至70℃，以稀盐酸调节将上述体系的pH值调节为6～8，调整搅拌速度为700r/min，缓慢滴加1.5g有机硅单体混合物(正硅酸甲酯∶甲基三乙氧基硅烷∶苯基三乙氧基硅烷∶辛基硅烷＝1∶0.25∶0.1∶0.05)，滴加完后，在70℃保持反应2h，然后升温至85℃，继续反应2h，得到浅蓝色溶液。以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得有机硅改性无机硅酸钾复合乳液。
3)将所述固化剂氟硅酸钠2.0g和所述分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物0.1g加入适量水中搅拌均匀后，再加入所述的100g复合乳液中，即得所述的加固材料。
实施例3
本实施例土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)采用共混体系制备一定模数的硅酸钾溶液
将100g去离子水作为溶剂置于反应器中并进行搅拌。将20.0g硅酸钾溶液加入到反应器中，升温至50℃，调搅拌速度为4200r/min，逐渐加入15.0g硅溶胶溶液高速搅拌2h，即得模数为3.8的硅酸钾溶液。
2)采用水解-缩合体系制备有机硅改性硅酸钾溶液
降低搅拌速度，升温至70℃，以稀盐酸调节将上述体系的pH值调节为6～8，调整搅拌速度为700r/min，缓慢滴加1.0g有机硅单体混合物(正硅酸乙酯∶甲基三甲氧基硅烷∶甲基三乙氧基硅烷∶苯基三乙氧基硅烷＝1∶0.5∶0.25∶0.1)，滴加完后，在70℃保持反应2h，然后升温至85℃，继续反应2h，得到浅蓝色溶液。以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得有机硅改性无机硅酸钾复合材料。
3)将所述固化剂氟硅酸钙1.5g和所述分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物0.15g加入适量水中搅拌均匀后，再加入所述的100g复合乳液中，即得所述的加固材料。
实施例4
本实施例土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)用共混体系制备一定模数的硅酸钾溶液
将100g去离子水作为溶剂置于反应器中并进行搅拌。将20.0g硅酸钾溶液加入到反应器中，升温至50℃，调搅拌速度为3000r/min，逐渐加入18.0g硅溶胶溶液高速搅拌2h，即得模数为4.0的硅酸钾溶液。
2)采用水解-缩合体系制备有机硅改性硅酸钾溶液
降低搅拌速度，升温至70℃，以稀盐酸调节将上述体系的pH值调节为6～8，调整搅拌速度为700r/min，缓慢滴加2.0g有机硅单体混合物(正硅酸丙酯∶甲基三甲氧基硅烷∶甲基三乙氧基硅烷∶苯基三乙氧基硅烷∶辛基硅烷＝1∶0.25∶0.5∶0.05∶0.05)，滴加完后，在70℃保持反应2h，然后升温至85℃，继续反应2h，得到浅蓝色溶液。以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得有机硅改性无机硅酸钾复合材料。
3)将所述固化剂氟硅酸钙2.0g和所述分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物0.15g加入水中搅拌均匀后，再加入所述的100g复合乳液中，即得所述的加固材料。
实施例5
本实施例土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)共混体系制备一定模数的硅酸钾溶液
将100g去离子水作为溶剂置于反应器中并进行搅拌。将20.0g硅酸钾溶液加入到反应器中，升温至50℃，调搅拌速度为3500r/min，.逐渐加入20.0g硅溶胶溶液高速搅拌2h，即得模数为4.0的硅酸钾溶液。
2)采用水解-缩合体系制备有机硅改性硅酸钾溶液
降低搅拌速度，升温至70℃，以稀盐酸调节将上述体系的pH值调节为6～8，缓慢滴加1.5g有机硅单体混合物(正硅酸丁酯∶甲基三甲氧基硅烷∶甲基三乙氧基硅烷∶苯基三乙氧基硅烷∶辛基硅烷＝1∶0.25∶0.25∶0.05∶0.025)，滴加完后，在70℃保持反应2h，然后升温至85℃，继续反应2h，得到浅蓝色溶液。以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得有机硅改性无机硅酸钾复合材料。
3)将所述固化剂氟硅酸钠1.0g和所述分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物0.1g加入水中搅拌均匀后，再加入所述的100g复合乳液中，即得所述的加固材料。
表1是以上实施例加固应用试验的测试结果。
                 表1 加固剂的测试结果
案例   抗水崩解试验(质量损失率％)   无侧限抗压强度(kpa)   渗透深度(浸泡法cm)
  空白   100   0.604   ——
  1   1.28   0.977   5.27
  2   1.12   0.985   5.11
  3   1.35   1.018   5.18
  4   1.27   0.991   5.36
  5   1.10   1.102   5.21
经本发明材料加固处理后的土体强度能提高50％以上，渗透深度大于5cm，抗水崩解的质量损失率低于1.5％，而没经处理的却全部崩解，而采用其它常规加固剂处理时会出现渗透性、耐水性等问题，所以本发明材料不但具有良好的渗透性和加固效果，而且有优异的耐水性。

Claims (4)

1.一种土遗址土体加固用有机-无机复合材料，其特征在于，该复合材料的主要成分由主剂、固化剂和分散剂组成，其中
所述的主剂成分为有机硅改性无机硅酸钾水基乳液；
所述的固化剂为氟硅酸钙或氟硅酸钠；
所述的分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物；
所述的主剂、固化剂和分散剂的质量比1∶0.01～0.02∶0.001～0.002；
所述的主剂成分有机硅改性无机硅酸钾水基乳液通过如下方法制备获得：首先在反应容器中将无机硅酸钾用水稀释，升温至40～70℃，高速搅拌，然后将硅溶胶水溶液逐渐加入所述的反应器，得到模数为3.5～4的硅酸钾溶液，然后降低搅拌速度，将上述体系的pH值用稀盐酸调节为6～8，在1～4小时内，将正硅酸酯和烷基烷氧基硅烷组成的混合有机硅单体缓慢滴加至制备好的硅酸钾溶液中，然后升温至60～90℃，继续搅拌1～4小时，以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得到有机硅改性无机硅酸钾水基乳液；其中所述的正硅酸酯的结构式为：Si(OCnH2n+1)4，其中n＝1，2，3，4；所述的烷基烷氧基硅烷的结构式为R-Si(OR′)3，或其不同结构烷基烷氧基硅烷的混合物，其中R’为甲基或乙基，R为苯基、甲基、乙基或碳原子数大于2小于9的长链烷基；所述反应原料的质量用量比为正硅酸酯∶烷基烷氧基硅烷∶硅溶胶∶硅酸钾＝0.015～0.1∶0.05～0.5∶0.3～0.5∶1。
2.权利要求1所述的土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，首先在反应容器中将无机硅酸钾用水稀释，升温至40～70℃，高速搅拌，然后将硅溶胶水溶液逐渐加入所述的反应器，得到模数为3.5～4的硅酸钾溶液，然后降低搅拌速度，将上述体系的pH值用稀盐酸调节为6～8，在1～4小时内，将正硅酸酯和烷基烷氧基硅烷组成的混合有机硅单体缓慢滴加至制备好的硅酸钾溶液中，然后升温至60～90℃，继续搅拌1～4小时，以稀盐酸调节反应体系的pH值为7.0，过滤反应产物即得到有机硅改性无机硅酸钾水基乳液，将所述固化剂和所述分散剂加入水中搅拌均匀后再加入所述的乳液中，即得土遗址土体加固用有机-无机复合材料；其中
所述的正硅酸酯的结构式为：Si(OCnH2n+1)4，其中n＝1，2，3，4；
所述的烷基烷氧基硅烷的结构式为R-Si(OR′)3，或其不同结构烷基烷氧基硅烷的混合物，其中R’为甲基或乙基，R为苯基、甲基、乙基或碳原子数大于2小于9的长链烷基；
所述反应原料的质量用量比为正硅酸酯∶烷基烷氧基硅烷∶硅溶胶∶硅酸钾＝0.015～0.1∶0.05～0.5∶0.3～0.5∶1。
3.如权利要求2所述的土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，所述的无机硅酸钾K2SiO3的模数为2.5～3.2。
4.如权利要求2所述的土遗址土体加固用有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，所述的硅溶胶为无定形二氧化硅胶体粒子在水中的分散体系。
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