CN103436165A - 防水耐污纳米复合涂料及其制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米材料技术领域的防水耐污纳米复合涂料及其制备及应用方法，该涂料由烷基烷氧基硅烷、纳米粒子、乳化剂和去离子水组成。通过将涂料在常温干燥的环境下涂刷于石材或混凝土等的表面实现防水耐污。本发明以荷叶效应为基础，以烷基烷氧基硅烷作为低表面能的物质，以纳米粒子作为防水剂涂层粗糙表面结构的填充物。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种纳米材料技术领域的纳米复合涂料，具体是一种适用于建筑外墙、道路桥梁混凝土、以及各类石材等的防水耐污纳米复合涂料及其制备及应用方法。
背景技术
石材及混凝土结构建筑在使用过程中，会受到水、酸性气体以及盐分等有害物质的破坏，造成强度下降、开裂甚至倒塌的危险。因此，对石材及混凝土结构建筑做好防护就显得非常必要。
对石材及混凝土结构建筑进行最有效的防护措施就是采用涂料，使石材及混凝土表面与水及其他有害物质相隔绝。可以用作石材及混凝土防护材料的物质有聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸树脂以及沥青等等。但这些传统的材料主要是通过阻塞混凝土的毛细孔来进行防护，会造成墙体不透气，而且涂层使用寿命也短。
近年来，有研究显示有机硅可以作为一种理想的混凝土防水剂。有机硅防护剂主要有甲基硅醇盐、硅树脂、硅烷等几类，其中以硅烷效果最好。硅烷防水剂不但具有渗透能力强，耐磨损，抗紫外氧化，环保无污染等优良性能，而且不会封闭混凝土结构的毛细管通道，在发挥防护效果的同时，又可使混凝土保持良好的透气性。
另外，根据仿生学研究报道，荷叶表面结构具有疏水自清洁的功能。之所以如此，是因为荷叶表面分布着无数微纳二元粗糙度的蜡质乳突结构，这就使得荷叶表面与水珠或尘埃的接触面积非常有限，稍有倾斜水珠就不能留在荷叶表面，水珠在叶面上滚动时还能带走灰尘。由此可见，构造疏水耐污的表面需要两个条件，一是表面具有低表面能的物质，二是表面具有微纳米的粗糙结构。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101269931，公开日2008-09-24，公开了一种含有机硅烷和/或有机硅氧烷的试剂，其用途和用于降低混凝土中钢筋主动腐蚀的方法。但该技术的缺陷和不足在于，其组分中含有溶剂、稀释剂或增溶剂，例如矿物油、汽油烃、醇等，使用过程中对环境会造成污染，不环保。
中国专利文献号CN101786901，公开日2010-07-28，公开了一种建筑材料表面用有机硅乳液型防水剂及其制备方法。其制备方法是：1)先将水及乳化剂加入至反应釜中，将温度升至40～90℃，搅拌均匀后，加入长链烷基烷氧基硅烷，在此温度下预乳化2～6h，冷却；2)将上述预乳液在高速乳化机中进行高速乳化0.5～2hr后加入杀菌剂、缓冲剂及促进剂等其他助剂、继续高速乳化0.5～2hr，冷却，制得建筑材料表面用有机硅乳液型防水剂。但该技术的缺陷和不足在于，其主要侧重于有机硅乳液型防水剂防水性能的研究，但没有涉及涂层耐污能力的考察。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种防水耐污纳米复合涂料及其制备及应用方法，以荷叶效应为基础，以烷基烷氧基硅烷作为低表面能的物质，以纳米粒子作为防水剂涂层粗糙表面结构的填充物。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种防水耐污纳米复合涂料，由烷基烷氧基硅烷、纳米粒子、乳化剂和去离子水组成，其组分及其重量分数为：烷基烷氧基硅烷25～50份、纳米粒子0.1～0.25份、乳化剂2～5份、去离子水45～70份。
所述的烷基烷氧基硅烷，其典型结构为一个硅原子连有三个活性乙氧基和一个非活性的烷基，其中烷基的碳数为4～10个，烷氧基选用乙氧基，乙氧基的碳数为1～4个。
所述的纳米粒子是指：纳米二氧化钛粒子、纳米二氧化硅粒子或纳米氧化锌粒子，粒径约30nm。
所述的乳化剂为非离子型乳化剂，包括：失水山梨醇脂肪酸酯Span系列和失水山梨醇脂肪酸酯聚氧乙烯醚Tween系列。
本发明涉及上述防水耐污纳米复合涂料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将2～5重量份乳化剂分散到15～20重量份去离子水中，加热溶解，并搅拌使其充分混合均匀，制得乳化剂水分散体系；
第二步，在搅拌的情况下，将25～60重量份烷基烷氧基硅烷加入到上述充分混合的乳化剂分散体系中，加完后继续搅拌，充分混合均匀，制得硅烷均匀分散体系；
第三步，在搅拌的情况下，向上述硅烷均匀分散体系中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
第四步，在搅拌的情况下，将0.1～0.25重量份纳米粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
本发明涉及上述防水耐污纳米复合涂料的应用，用于建筑外墙、道路桥梁混凝土以及建筑石材的表面。
所述的应用具体是指：通过在常温干燥的环境下涂覆于建筑外墙、道路桥梁混凝土以及建筑石材的表面得以实现，其操作步骤具体为：
1）预处理：在涂刷前先将表面处理干净，确保施工表面清洁，无明水，底材吸收性好，无缺陷，无油脂，无风化物及其他污物，新砌混凝土表面应养护28天以上。
2）涂刷方式及用量：施工可采用刷涂或辊涂的方法，涂布量为200g/m2。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术优势包括：无毒无刺激、无污染，健康环保；防水性能优异，吸水率显著降低；通过涂敷于建筑外墙、道路桥梁混凝土、以及各类石材等表面后，所形成的涂层易清洁；本发明制备过程，简单易行，且生产成本低，有利于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1中涂料应用于混凝土表面后涂层对水的接触角视图。
图2为实施例2中涂料应用于混凝土表面后涂层对水的接触角视图。
图3为实施例3中涂料应用于混凝土表面后涂层对水的接触角视图。
图4为实施例4中涂料应用于混凝土表面后涂层对水的接触角视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例按照下列比例配制防水耐污纳米复合涂料，以重量分数计：异辛基三乙氧基硅烷25份、金红石型纳米二氧化钛粒子0.1份、Span602.5份、Tween802.5份、去离子水69.9份。
本实施例制备工艺如下：
将2.5重量份Span60和2.5重量份Tween80加入到15重量份去离子水中，加热溶解，并在1500r/min的搅拌速度下充分搅拌混合均匀，制得乳化剂分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，将25重量份烷异辛基三乙氧基硅烷加入到上述乳化剂分散液中，加完后继续搅拌，充分混合均匀，制得硅烷均匀分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，向上述硅烷均匀分散液中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
在1500r/min的搅拌速度下，将0.1重量份金红石型纳米二氧化钛粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
本实施例得到的涂料分散性良好，外观均匀，无沉淀，无漂油，在常温干燥的环境下涂刷于混凝土表面可以起到良好的疏水耐污效果，吸水率比小于15%，涂层对水的接触角≧130o，如图1所示。
实施例2
本实施例按照下列比例配制防水耐污纳米复合涂料，以重量分数计：异辛基三乙氧基硅烷40份、纳米二氧化硅粒子0.2份、Span603份、Tween803份、去离子水53.8份。
本实施例制备工艺如下：
将3重量份Span60和3重量份Tween80加入到18重量份去离子水中，加热溶解，并在1500r/min的搅拌速度下充分搅拌混合均匀，制得乳化剂分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，将40重量份烷异辛基三乙氧基硅烷加入到上述乳化剂分散液中，加完后继续搅拌，充分混合均匀，制得硅烷均匀分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，向上述硅烷均匀分散液中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
在1500r/min的搅拌速度下，将0.2重量份纳米二氧化硅粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
本实施例得到的涂料分散性良好，外观均匀，无沉淀，无漂油，在常温干燥的环境下涂刷于混凝土表面可以起到良好的疏水耐污效果，吸水率比在10%左右，涂层对水的接触角≧130o，如图2所示。
实施例3
本实施例按照下列比例配制防水耐污纳米复合涂料，以重量分数计：异辛基三乙氧基硅烷50份、纳米氧化锌粒子0.2份、Span604份、Tween804份、去离子水41.8份。
本实施例制备工艺如下：
将4重量份Span60和4重量份Tween80加入到24重量份去离子水中，加热溶解，并在1500r/min的搅拌速度下充分搅拌混合均匀，制得乳化剂分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，将50重量份烷异辛基三乙氧基硅烷加入到上述乳化剂分散液中，加完后继续搅拌，充分混合均匀，制得硅烷均匀分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，向上述硅烷均匀分散液中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
在1500r/min的搅拌速度下，将0.1重量份纳米氧化锌粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
本实施例得到的涂料分散性良好，外观均匀，无沉淀，无漂油，在常温干燥的环境下涂刷于混凝土表面可以起到良好的疏水耐污效果，吸水率比小于10%，涂层对水的接触角≧130o，如图3所示。
实施例4
本实施例按照下列比例配制防水耐污纳米复合涂料，以重量分数计：异辛基三乙氧基硅烷15份、异丁基三乙氧基硅烷15份、金红石型纳米二氧化钛粒子0.2份、Span602.5份、Tween802.5份、去离子水64.8份。
本实施例制备工艺如下：
将2.5重量份Span60和2.5重量份Tween80加入到15重量份去离子水中，加热溶解，并在1500r/min的搅拌速度下充分搅拌混合均匀，制得乳化剂分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，将15重量份烷异辛基三乙氧基硅烷和15重量份烷异丁基三乙氧基硅烷依次加入到上述乳化剂分散液中，每次加完后都要充分搅拌混合均匀，制得硅烷均匀分散液。
在1500r/min的搅拌速度下，向上述硅烷均匀分散液中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
在1500r/min的搅拌速度下，将0.2重量份金红石型纳米二氧化钛粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
本实施例得到的涂料分散性良好，外观均匀，无沉淀，无漂油，在常温干燥的环境下涂刷于混凝土表面可以起到良好的疏水耐污效果，吸水率比小于15%，涂层对水的接触角≧130o，如图4所示。
Claims (9)
1.一种防水耐污纳米复合涂料，其特征在于，由烷基烷氧基硅烷、纳米粒子、乳化剂和去离子水组成。
2.根据权利要求1所述的涂料，其特征是，所述的复合涂料的组分及其重量分数为：烷基烷氧基硅烷25～50份、纳米粒子0.1～0.25份、乳化剂2～5份、去离子水45～70份。
3.根据权利要求1所述的涂料，其特征是，所述的烷基烷氧基硅烷，其典型结构为一个硅原子连有三个活性乙氧基和一个非活性的烷基，其中烷基的碳数为4～10个，烷氧基选用乙氧基，乙氧基的碳数为1～4个；
所述的纳米粒子是指：纳米二氧化钛粒子、纳米二氧化硅粒子或纳米氧化锌粒子；
所述的乳化剂为非离子型乳化剂。
4.根据权利要求1所述的涂料，其特征是，所述的乳化剂包括：失水山梨醇脂肪酸酯Span系列和失水山梨醇脂肪酸酯聚氧乙烯醚Tween系列。
5.根据权利要求1所述的涂料，其特征是，所述的防水耐污纳米复合涂料的吸水率比小于15%，涂层对水的接触角≧130o。
6.一种根据上述任一权利要求所述防水耐污纳米复合涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将2～5重量份乳化剂分散到15～20重量份去离子水中，加热溶解，并搅拌使其充分混合均匀，制得乳化剂水分散体系；
第二步，在搅拌的情况下，将25～60重量份烷基烷氧基硅烷加入到上述充分混合的乳化剂分散体系中，加完后继续搅拌，充分混合均匀，制得硅烷均匀分散体系；
第三步，在搅拌的情况下，向上述硅烷均匀分散体系中加入剩余的去离子水，加完后经超声分散处理，制得硅烷乳液；
第四步，在搅拌的情况下，将0.1～0.25重量份纳米粒子加入上述硅烷乳液中，继续搅拌使纳米粒子充分分散，并与硅烷乳液均匀混合，即得防水耐污纳米复合涂料。
7.一种根据上述任一权利要求中所述的防水耐污纳米复合涂料的应用，其特征在于，用于建筑外墙、道路桥梁混凝土以及建筑石材的表面。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征是，所述的应用具体通过在常温干燥的环境下涂覆于建筑外墙、道路桥梁混凝土以及建筑石材的表面得以实现。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征是，所述的涂覆具体为：
1）预处理：在涂刷前先将表面处理干净，确保施工表面清洁，无明水，底材吸收性好，无缺陷，无油脂，无风化物及其他污物，新砌混凝土表面应养护28天以上，涂布量为200g/平方米；
2）涂刷方式及用量：施工可采用刷涂或辊涂的方法，涂布量为200g/m2。
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