CN104230376B - 有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料，其原料组分包括有机硅单体、乳化剂、硅溶胶、硅烷偶联剂、消泡剂、成膜助剂和水。该防水材料防水性能优异，抗有害离子侵入能力强，耐候性和耐久性优良，使混凝土表面强度提高，适用于混凝土、砂浆、水泥浆、石材等材料的表面防水处理，特别适用于恶劣环境中的混凝土结构，如海港码头、在除冰盐、盐雾侵蚀下工作的公路、立交桥等混凝土结构的表面处理。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程材料技术领域，尤其涉及一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料及其制备方法。
背景技术
混凝土是现代土木建筑工程中应用最广、用量最大的建筑材料。在建筑材料和结构中，钢筋混凝土是比较耐久的。通常环境下，用适当方法制备并良好养护的混凝土是能够达到长期使用目的的。但是，如果混凝土所处的环境条件恶劣，而且没有采取充分的防护措施，混凝土将会过早地破坏。
在混凝土结构所遭受的物理破坏和化学侵蚀过程中，水起着非常重要的作用，一般可分为三方面：(1)水作为溶剂，水泥的水化产物Ca(OH)2和C-S-H凝胶等逐渐溶解，其溶解率反映了潮湿环境下混凝土的长期耐久性。在流水作用下，发生流水的溶出性侵蚀；(2)环境中的气体如CO2或SO2溶解于水中，迅速与水泥的水化产物Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应，混凝土发生碳化(碱性降低)或硫酸盐反应后，使钢筋钝化膜破坏或发生体积膨胀导致混凝土破坏；(3)水作为一种运输介质，通过毛细吸收作用将氯盐等被溶解的化合物，运输到水泥基材料的孔隙中，一方面氯盐可与混凝土中的Ca(OH)2等发生反应，生成易溶的氯化物和大量的结晶水化合物，使反应物体积增大，易造成混凝土膨胀破坏；另一方面，如果钢筋表面的氯离子浓度达到临界浓度，就会破坏钢筋表面的钝化保护膜，使钢筋逐渐锈蚀。因此，提高混凝土耐久性的有效方法之一是对混凝土进行防水处理。
有机硅防水材料具有很低的表面张力，能降低混凝土的表面能，使其具有出色的憎水性，同时又不封闭混凝土的透气微孔，具有透气呼吸功能，目前已经广泛用于道路、桥梁等混凝土构件。但是，有机硅防水材料也存在一些缺陷，如强度低、对基材的附着性较差、挥发性高以及随着时间延长防水效果逐渐降低等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有有机硅防水材料存在的各种缺陷，提供一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料及其制备方法。通过在有机硅乳液的制备过程中引入硅溶胶，当其渗透到混凝土表层一定厚度后，利用硅溶胶的火山灰效应，与混凝土中的水化产物Ca(OH)2或未水化的水泥颗粒发生化学反应形成结晶体，堵塞或封闭混凝土内部的部分毛细孔洞。由此，不但提高了混凝土的密实度，进一步改善了防水效果，还增强了混凝土的表面强度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料，其原料组分包括有机硅单体、乳化剂、硅溶胶、硅烷偶联剂、消泡剂、成膜助剂和水。
所述防水材料中各原料的重量百分比分别为机硅单体40％～70％、乳化剂3％～10％、硅溶胶10％～30％、硅烷偶联剂7％～12％、消泡剂0.01％～5％、成膜助剂0.5％～6％和佘量的水，各原料的重量百分比之和为100％。
所述有机硅单体可以为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、正丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、异辛基三甲氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷单体中的一种或两种以上的混合。
所述乳化剂可以为乳化剂OP系列、乳化剂Tween系列、乳化剂Span系列、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种以上混合物。
所述硅溶胶为采用正硅酸乙酯水解法获得的质量百分含量为10％～40％的液体硅溶胶，其pH值为2～5，平均粒径小于300nm。
所述硅烷偶联剂可以为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丁基三甲氧基硅烷、环氧丙氧基甲基三乙氧基硅烷中的一种。
所述成膜助剂可以为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠中的一种。
本发明还提供了上述防水材料的制备方法，具体为：
第一步，将硅溶胶与硅烷偶联剂混合后加入反应釜中反应，获得第一反应物；
第二步，将部分水、乳化剂和消泡剂混合后加入反应釜中反应，获得第二反应物；
第三步，将有机硅单体和佘量水加入反应釜中反应，随后加入第二步获得的第二反应物进一步反应，获得有机硅乳液；
第四步，将第一步获得的反应物加入到第三步获得的有机硅乳液中，搅拌反应，制得所述有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本发明还提供了上述防水材料的使用方法，具体为：将有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温干燥的环境下涂刷或喷涂于混凝土表面，在涂刷或喷涂前将混凝土表面处理干净，有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料的用量一般为0.2～0.6kg/平方米。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，其制备工艺简单，成本低，制备的防水材料防水性能优异，抗有害离子侵入能力强，耐候性和耐久性优良，使混凝土表面强度提高，适用于混凝土、砂浆、水泥浆、石材等材料的表面防水处理，特别适用于恶劣环境中的混凝土结构，如海港码头、在除冰盐、盐雾侵蚀下工作的公路、立交桥等混凝土结构的表面处理。
具体实施方式
本发明提供了一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料，其原料组分包括有机硅单体、乳化剂、硅溶胶、硅烷偶联剂、消泡剂、成膜助剂和水。
进一步，所述防水材料仅由上述原料组分制备而成。
所述防水材料中各原料的重量百分比分别为机硅单体40％～70％、乳化剂3％～10％、硅溶胶10％～30％、硅烷偶联剂7％～12％、消泡剂0.01％～5％、成膜助剂0.5％～6％和佘量的水，各原料的重量百分比之和为100％。
所述有机硅单体可以为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、正丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、异辛基三甲氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷单体中的一种或两种以上的混合。
所述乳化剂可以为乳化剂OP系列、乳化剂Tween系列、乳化剂Span系列、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种以上混合物。乳化剂的引入不但可以帮助有机硅单体乳化，形成有机硅乳液，其润湿与渗透功能还可促进防水材料渗透进混凝土内部，增加渗透深度。
所述硅溶胶为采用正硅酸乙酯水解法获得的质量百分含量为10％～40％的液体硅溶胶，其pH值为2～5，平均粒径小于300nm，所述硅溶胶的制备方法，具体为：首先，将蒸馏水、无水乙醇与氨水混合、搅拌，得到均匀的溶液A；然后，将正硅酸乙酯与无水乙醇混合、搅拌，得到均匀的溶液B；接下来，在搅拌的作用下，设置温度40～60℃，将溶液A缓慢滴入溶液B中，控制转速在1000～3000r/min，滴加结束后继续搅拌2小时，将搅拌结束的溶液在室温下静置48～96小时，制得所述硅溶胶。
硅溶胶渗透到混凝土内部后，与水化产物Ca(OH)2或未水化的水泥颗粒发生化学反应形成结晶体，达到防水、密实、提高表面强度的作用。
所述硅烷偶联剂可以为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丁基三甲氧基硅烷、环氧丙氧基甲基三乙氧基硅烷中的一种。硅烷偶联剂的引入，可以使有机硅乳液与硅溶胶结合的更加紧密，有利于在混凝土中形成更加牢固的憎水层。
所述成膜助剂可以为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠中的一种。
本发明还提供了上述防水材料的制备方法，具体为：
第一步，将硅溶胶与硅烷偶联剂混合后加入反应釜中反应，获得第一反应物；
第二步，将部分水、乳化剂和消泡剂混合后加入反应釜中反应，获得第二反应物；
第三步，将有机硅单体和佘量水加入反应釜中反应，随后加入第二步获得的第二反应物进一步反应，获得有机硅乳液；
第四步，将第一步获得的反应物加入到第三步获得的有机硅乳液中，搅拌反应，制得所述有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
所述第一步进一步具体为将硅溶胶与硅烷偶联剂混合后加入反应釜，在室温下以400～600r/min的速度搅拌0.5～2小时，获得第一反应物，取出待用。
所述第二步进一步具体为将部分水、乳化剂和消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至40～60℃，以400～600r/min的速度搅拌0.5～2小时，获得第二反应物，取出待用。
所述第三步进一步具体为将有机硅单体和佘量水加入反应釜，在室温下以400～600r/min的速度搅拌1～1.5小时，然后调节温度至40～70℃，调节转速至2000～4000r/min，将第二步获得的第二反应物得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌4～6小时，获得有机硅乳液。
所述第四步进一步具体为在800～1000r/min的搅拌速度、40～60℃的温度下，将第一步制得的第一反应物缓慢滴加至第三步制得的有机硅乳液中，搅拌3～6小时，加入成膜助剂后继续搅拌2～3h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本发明还提供了上述防水材料的使用方法，具体为：将有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温干燥的环境下涂刷或喷涂于混凝土表面，在涂刷或喷涂前将混凝土表面处理干净，有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料的用量一般为0.2～0.6kg/平方米。
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
本实施例涉及的混凝土毛细吸水系数、砂浆吸水率、防水材料在混凝土中的渗透深度和氯离子在混凝土中的扩散系数检测方法参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)、《砂浆、混凝土防水剂》(JC474-2008)、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)。
硅溶胶的制备：以制备100g硅溶胶为例，将55.2g蒸馏水、9.2g无水乙醇与10.3g氨水混合、搅拌，得到均匀的溶液A；然后，将6.9g正硅酸乙酯与18.4g无水乙醇混合、搅拌，得到均匀的溶液B；接下来，在搅拌的作用下，设置温度50℃，将74.7g溶液A缓慢滴入25.3g溶液B中，控制转速在3000r/min，滴加结束后继续搅拌2小时，将搅拌结束的溶液在室温下静置96小时，制得所述硅溶胶。
实施例1：
本实施例制备1kg硅溶胶-有机硅单体渗透结晶型防水材料，所用原料及其制备过程如下：
1)将200g采用正硅酸乙酯水解法所制得的硅溶胶与85gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷混合后加入反应釜，在室温下以400r/min的速度搅拌1小时，取出待用。
2)将70g水、70g脂肪醇聚氧乙烯醚和20g消泡剂聚醚改性有机硅消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至40～60℃，以400r/min的速度搅拌1小时，取出待用；
3)将500g正丁基三乙氧基硅烷单体和40g水加入反应釜，在室温下以500r/min的速度搅拌1.5小时，然后调节温度至50℃，调节转速至3000r/min，将步骤2)得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌6小时，获得有机硅乳液；
4)在900r/min的搅拌速度、50℃的温度下，将步骤1)制得的反应物缓慢滴加至步骤3)制得的正丁基三乙氧基硅烷乳液中，搅拌5小时，加入15g聚乙烯醇后继续搅拌2h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本实施例将制备得到的有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温下涂刷于干燥砂浆试块与混凝土的表面，涂膜用量为0.4kg/m2，砂浆吸水率降低72.5％，防水材料在混凝土表面的渗透深度达到4.3mm，混凝土的防水性能有所提高，毛细吸水系数降低55.8％，氯离子扩散系数降低30.4％。
实施例2
本实施例制备1kg硅溶胶-有机硅单体渗透结晶型防水材料，所用原料及其制备过程如下：
1)将180g采用正硅酸乙酯水解法所制得的硅溶胶与75gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷混合后加入反应釜，在室温下以400r/min的速度搅拌1小时，取出待用。
2)将50g水、75gTween80乳化剂和22g聚醚改性有机硅消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至60℃，以400r/min的速度搅拌1小时，取出待用；
3)将550g异丁基三乙氧基硅烷单体和38g水加入反应釜，在室温下以500r/min的速度搅拌1.5小时，然后调节温度至50℃，调节转速至3000r/min，将步骤2)得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌6小时，获得有机硅乳液；
4)在900r/min的搅拌速度、50℃的温度下，将步骤1)制得的反应物缓慢滴加至步骤3)制得的异丁基三乙氧基硅烷乳液中，搅拌5小时，加入10g聚乙烯醇后继续搅拌2h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本实施例将制备得到的有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温下涂刷于干燥砂浆试块与混凝土的表面，涂膜用量为0.4kg/m2，砂浆吸水率降低78.8％，防水材料在混凝土表面的渗透深度达到5.0mm，混凝土的防水性能有所提高，毛细吸水系数降低57.3％，氯离子扩散系数降低34.2％。
实施例3：
本实施例制备1kg硅溶胶-有机硅单体渗透结晶型防水材料，所用原料及其制备过程如下：
1)将150g采用正硅酸乙酯水解法所制得的硅溶胶与7597-环氧丙基三乙氧基硅烷混合后加入反应釜，在室温下以500r/min的速度搅拌1.5小时，取出待用。
2)将80g水、70g十二烷基苯磺酸钠与Tween80复配的乳化剂、10g聚醚改性有机硅消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至50℃，以500r/min的速度搅拌1小时，取出待用；
3)将550g正辛基三乙氧基硅烷单体和53g水加入反应釜，在室温下以400r/min的速度搅拌2.5小时，然后调节温度至50℃，调节转速至2500r/min，将步骤2)得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌5.5小时，获得有机硅乳液；
4)在800r/min的搅拌速度、50℃的温度下，将步骤1)制得的反应物缓慢滴加至步骤3)制得的正辛基三乙氧基硅烷乳液中，搅拌4小时，加入12g聚丙烯酰胺后继续搅拌1.5h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本实施例将制备得到的有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温下涂刷于干燥砂浆试块与混凝土的表面，涂膜用量为0.5kg/m2，砂浆吸水率降低82.2％，防水材料在混凝土表面的渗透深度达到5.5mm，混凝土的防水性能有所提高，毛细吸水系数降低60.5％，氯离子扩散系数降低37.9％。
实施例4：
本实施例制备1kg硅溶胶-有机硅单体渗透结晶型防水材料，所用原料及其制备过程如下：
1)将250g采用正硅酸乙酯水解法所制得的硅溶胶与90gγ-环氧丙基三乙氧基硅烷混合后加入反应釜，在室温下以600r/min的速度搅拌2小时，取出待用。
2)将90g水、60g十二烷基苯磺酸钠与OP10复配的乳化剂和10g聚醚改性有机硅消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至50℃，以500r/min的速度搅拌1.5小时，取出待用；
3)将450g正辛基三乙氧基硅烷单体和30g水加入反应釜，在室温下以600r/min的速度搅拌2.5小时，然后调节温度至60℃，调节转速至3000r/min，将步骤2)得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌6小时，获得有机硅乳液；
4)在800r/min的搅拌速度、60℃的温度下，将步骤1)制得的反应物缓慢滴加至步骤3)制得的正辛基三乙氧基硅烷乳液中，搅拌3小时，加入20g聚丙烯酰胺后继续搅拌2h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本实施例将制备得到的有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温下涂刷于干燥砂浆试块与混凝土的表面，涂膜用量为0.5kg/m2，砂浆吸水率降低79.1％，防水材料在混凝土表面的渗透深度达到5.8mm，混凝土的防水性能有所提高，毛细吸水系数降低56％，氯离子扩散系数降低35.6％。
实施例5：
本实施例制备1kg硅溶胶-有机硅单体渗透结晶型防水材料，所用原料及其制备过程如下：
1)将220g采用正硅酸乙酯水解法所制得的硅溶胶与75gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷混合后加入反应釜，在室温下以400r/min的速度搅拌2小时，取出待用。
2)将85g水、55gOP10与Tween80复配的乳化剂、8g聚醚改性有机硅消泡剂混合后加入反应釜，调节温度至45℃，以500r/min的速度搅拌1小时，取出待用；
3)将500g异辛基三乙氧基硅烷单体和47g水加入反应釜，在室温下以500r/min的速度搅拌2小时，然后调节温度至60℃，调节转速至2000r/min，将步骤2)得到的反应物缓慢滴入反应釜中，滴加结束后继续搅拌5小时，获得有机硅乳液；
4)在700r/min的搅拌速度、60℃的温度下，将步骤1)制得的反应物缓慢滴加至步骤3)制得的异辛基三乙氧基硅烷乳液中，搅拌3小时，加入10g聚乙烯醇后继续搅拌2h，制得有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料。
本实施例将制备得到的有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温下涂刷于干燥砂浆试块与混凝土的表面，涂膜用量为0.5kg/m2，砂浆吸水率降低82.5％，防水材料在混凝土表面的渗透深度达到4.9mm，混凝土的防水性能有所提高，毛细吸水系数降低58.7％，氯离子扩散系数降低37.2％。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料，其特征在于：原料组分由有机硅单体、乳化剂、硅溶胶、硅烷偶联剂、消泡剂、成膜助剂和水组成；
所述防水材料中各原料的重量百分比分别为有机硅单体40％～70％、乳化剂3％～10％、硅溶胶10％～30％、硅烷偶联剂7％～12％、消泡剂0.01％～5％、成膜助剂0.5％～6％和余量的水，各原料的重量百分比之和为100％；
所述有机硅单体为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、正丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、异辛基三甲氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷单体中的一种或两种以上的混合；
所述硅溶胶为采用正硅酸乙酯水解法获得的质量百分含量为10％～40％的液体硅溶胶，其pH值为2～5，平均粒径小于300nm；
所述成膜助剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠中的一种。
2.如权利要求1所述的防水材料，其特征在于：所述乳化剂为乳化剂OP系列、乳化剂Tween系列、乳化剂Span系列、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种以上混合物。
3.如权利要求1或2所述的防水材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丁基三甲氧基硅烷、环氧丙氧基甲基三乙氧基硅烷中的一种。
4.权利要求1或2所述防水材料的使用方法，其特征在于：将所述有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料在常温干燥的环境下涂刷或喷涂于混凝土表面，在涂刷或喷涂前将混凝土表面处理干净，有机硅乳液-硅溶胶渗透结晶型防水材料的用量为0.2～0.6kg/平方米。
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