CN104926231A

CN104926231A - 一种钢材阻锈与防护的涂层及其制备方法

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Publication number: CN104926231A
Application number: CN201510291721.7A
Authority: CN
Inventors: 刘志勇; 王坤荣; 李伟华
Original assignee: 刘志勇
Current assignee: Yantai University
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2035-06-01
Also published as: CN104926231B

Abstract

本发明涉及一种钢材阻锈与防护的涂层，由复合锈转化剂、热塑性或热固性树脂、水泥、复合表面活性剂、超细纤维及水组分复合而成，其中以质量计，复合锈转化剂∶热塑性或热固性树脂∶水泥∶复合表面活性剂∶超细纤维＝0.5～15∶10～30∶20～65∶0～4∶0～5。其中复合锈转化剂的主要成分主要由二价或三价金属氧化物、磷酸盐类物质、活性填料、碱性氢氧化物按照质量比为2∶8∶8∶1复配构成，复合锈转化剂能与在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜。所述的表面活性剂为含巯基的吉米奇季铵盐阳离子表面活性剂，其由含巯基的具有多个活性吸附中心的物质如巯基乙酸钠盐、2-硫醇基苯并噻唑钠盐与烷基二甲基叔胺为原料反应制得。

Description

一种钢材阻锈与防护的涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢材阻锈与防护的涂层及其制备方法。

背景技术

海洋环境和除冰盐对混凝土结构中的钢筋很容易造成氯盐腐蚀，腐蚀后的混凝土结构耐久性和使用寿命会大大降低。许多混凝土结构中的钢筋在较短时间内锈蚀，不仅危害结构安全，也带来了巨大经济损失，甚至成为经济发展的沉重包袱。因此，如何防止混凝土结构中钢筋过快锈蚀或者使已经遭受氯盐浸蚀的混凝土结构中的受损钢筋能够带锈服役，成为严酷环境下保持和提高混凝土结构耐久性的关键。近年来高性能混凝土的快速发展和应用使得这一问题得到一定程度缓解，但是由于混凝土材料自身特点及工程的复杂性，加之高性能混凝土水胶比很低，如养护不当很容易产生裂缝，裂缝会不可避免地会加速环境中的有害物质渗透到结构内部，这使得许多结构中的钢筋受到不同程度的腐蚀，混凝土结构耐久性和使用寿命因此大大降低，多年来的工程实践也表明仅仅依靠使用高性能混凝土不能完全解决严酷环境下混凝土结构的耐久性问题。

为防止氯盐等严酷环境对混凝土结构中的钢筋产生锈蚀作用，长期以来一个较为简单有效的办法是在混凝土中掺加大量无机钢筋阻锈剂。但是传统的钢筋阻锈剂主要是亚硝酸盐，这种阳极型阻锈剂对人体和环境有较大毒害，目前许多发达国家基本上限制或停止使用这类阻锈剂。出于环境保护的压力，其它一些阻锈效果好的无机盐如铬酸盐等也逐渐被列入禁止使用的行列。与之相适应，有机阻锈剂得到了较快发展，它能在不直接接触金属情况下提高液相或者气相扩散迁移到达金属表面使其得到保护，特别是一些有机阻锈剂可与金属产生强螯合作用，并通过结合能差异置换出钢筋周围的氯离子，从而使初步锈蚀的钢筋得到修复，但是有机阻锈剂存在易挥发、有气味等缺点，在一定程度上限制了其发展。

另一个提高氯盐等严酷环境下钢筋阻锈能力的有效途径是使用钢筋表面涂层技术，环氧涂敷钢筋即是典型代表，一个时期以来，采用环氧涂覆钢筋成为提高恶劣环境下混凝土结构使用寿命的重要技术手段，国外在这方面的工程应用已有几十年的经验，但是在应用中人们逐渐注意到环氧涂覆钢筋问题很多，除成本高外，最突出的问题是环氧树脂较脆很容易开裂和产生局部破坏现象，而结构中涂覆钢筋的任何局部破损都将使结构提前遭受破坏，难以到达提高结构整体使用寿命的目的。那么发明一种不易遭受损坏或者虽遭受轻微损伤仍能正常服役的涂层代替环氧树脂涂层，就成为提高氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性这一重大课题的关键。

此外，近年来各类大体积、超高层建筑层出不穷，为了功能需要和降低混凝土的温度应力，解决超长钢筋混凝土的变形问题及高层建筑的主体与裙房间的沉降差异问题，往往在现浇混凝土结构中引入后浇带施工，但是后浇带中的钢筋在相对较长的时间里(有时长达数月)暴露在外，这些钢筋很容易产生锈蚀；更为常见的情况是许多钢筋长期堆放在露天环境中，使得这些钢筋在日后浇注时已经或多或少地发生了锈蚀，从而给混凝土结构留下隐患，因此如何保护露天存放的或者正在建设中使用的钢筋免于锈蚀也是当前一个不容忽视的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有带锈防锈功能的钢筋涂层及其制备方法，获得的产品不仅具有长期有效地保护和抑制钢筋锈蚀的作用，而且对初步锈蚀或损伤的钢筋起到良好的修复与防护效果，形成的水泥基涂层不仅具有高分子材料特有的弹性和韧性，使得涂层不容易损坏，而且具有水泥基材料固有的高耐久性和可再粘结性，完全克服了传统的采用环氧树脂涂覆钢筋脆性易开裂等缺点，大大提高了使钢筋锈蚀的氯离子阈值浓度，有效延长了恶劣环境下钢筋混凝土结构的使用寿命，具有广阔的应用前景。

一种钢材阻锈与防护的涂层，由复合锈转化剂、热塑性或热固性树脂、水泥、复合表面活性剂、超细纤维及水组分复合而成，其中以质量计，复合锈转化剂∶热塑性或热固性树脂∶水泥∶复合表面活性剂∶超细纤维＝0.5～15∶10～30∶20～65∶0～4∶0～5。

其中，复合锈转化剂的主要成分主要由二价或三价金属氧化物、磷酸盐类物质、活性填料、碱性氢氧化物按照质量比为2∶8∶8∶1复配构成，复合锈转化剂能与在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜。其中二价或三价金属氧化物为氧化锌、氧化钡、氧化铝、氧化铁的一种或多种；磷酸盐类物质为二水合磷酸锌、四水合磷酸锌的一种或两种；活性填料为铁红或锌黄；碱性氢氧化物为氢氧化铝、氢氧化锌的一种或两种。

所述的表面活性剂为含巯基的吉米奇季铵盐阳离子表面活性剂，其由含巯基的具有多个活性吸附中心的物质如巯基乙酸钠盐、2-硫醇基苯并噻唑钠盐与烷基二甲基叔胺为原料按化学反应的摩尔比反应制得；这类物质不仅其中的巯基可取代钢材表面的氯离子从而对锈蚀钢筋产生修复作用，而且季铵盐基于电荷吸附也对钢筋产生修复效果，同时显著降低水溶液的表面张力，有效改善纤维的分散性及被涂覆表面的润湿性。

所述树脂为聚丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂及其组合，能赋予水泥基材料韧性和防水密封功能。

所述超细纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、碳纤维、矿物纤维或植物纤维，所述超细纤维直径在10～500nm之间。

所述树脂中还可添加适量的各种助剂，如流平剂、触变剂、抗氧剂，以及适量的二氧化钛、滑石粉、轻钙粉以进一步提高膜层的耐久性能。

该钢材阻锈与防护的涂层，有极好的渗透性、润湿性、流平性和流变性，且具有良好的附着力、平滑性和耐久性，可采用刷涂、滚涂、喷涂施工工艺。

本申请还公开一种钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.5～15质量份的复合锈转化剂、10～30质量份的热塑性或热固性树脂以及适量的水形成的混合物分别按照传统技术制成水乳液或水溶液再按比例复合制成，也可将各组分按照比例一步合成微乳液，制备的微乳液可以根据实际需要连续地从W/O型结构向O/W型结构转变，形成的此混合物称为胶液；

(2)将0～5质量份的纤维和0～4质量份的表面活性剂、适量水混合形成均匀的纤维分散液；

(3)将(2)中制备的纤维分散液加入到(1)制备的胶液中，搅拌混合形成均匀的纤维胶液分散体；

(4)将40～60质量份的水泥、适量的水加入到(3)制备的纤维胶液分散体中，用搅拌器搅拌混和得到的均匀的水泥基涂料；

(5)将上述制备的均匀的水泥基涂料，采用刷涂、滚涂、喷涂等施工工艺涂覆到需要保护的钢材或者结构混凝土表面，涂覆前要求基面干燥、平整、牢固、干净无浮土，一般涂覆分2层，即底层和面层，两层之间的时间间隔以前一层涂膜干固不粘为准，形成厚度约0.5～1mm左右的涂层。

其中，复合锈转化剂的主要成分主要由二价或三价金属氧化物、磷酸盐类物质、活性填料、碱性氢氧化物按照质量比为2∶8∶8∶1复配构成，该复合锈转化剂能与在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜。其中二价或三价金属氧化物为氧化锌、氧化钡、氧化铝、氧化铁的一种或多种；磷酸盐类物质为二水合磷酸锌、四水合磷酸锌的一种或两种；活性填料为括铁红或锌黄；碱性氢氧化物为氢氧化铝、氢氧化锌的一种或两种。

本发明的特点在于：浆体涂刷或喷涂到表面时有极好的润湿性、流变性和附着力，具有锈转化功能的锈转化锈剂能在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜，表面活性剂通过物理吸附在钢筋表面形成混合吸附膜层，水性树脂复合水泥浆体在钢筋表面形成具有防水功能和柔韧性的表面覆盖层，构成了在钢材表面形成高耐久性的致密膜层。其中锈转化剂与锈蚀钢材的磷化及络合沉淀作用、表面活性剂及聚合物膜的覆盖作用以及水泥水化产物高碱性的钝化作用三者共同工作，对初步带锈或损伤的钢材不仅起到良好的修复与防护效果，而且抑制了阴极和阳极反应过程，大大降低了钢材锈蚀速率，阻止了钢材锈蚀的发展，达到了带锈钢材修复与保护的双重目的。该发明特别适用于长期暴露在外的钢材表面防护和严酷环境下高耐久性混凝土结构用钢筋的表面涂覆防护。

附图说明

图1-1、1-2、1-3分别为对照组在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图2-1、2-2、2-3分别为实施例1在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图3-1、3-2、3-3分别为实施例2在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图4-1、4-2、4-3分别为实施例3在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图5-1、5-2、5-3分别为实施例4在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图6-1、6-2、6-3分别为实施例5在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

图7-1、7-2、7-3分别为实施例6在3.5％NaCl水溶液中浸泡过程电化学阻抗谱(EIS)的Nyquist图、Bode模图及相角图。

具体实施方式：

下列实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。

对照组和实施例1到实施例6分别所用0#、1#、2#、3#涂层材料配比(质量比)见表1，其中所用的复合锈转化剂为磷酸锌、氧化锌、氢氧化铝、铁红，其质量比2∶8∶8∶1；复合表面活性剂为吉米奇季铵盐阳离子表面活性剂；树脂为环氧树脂乳液；水泥为P.I 42.5水泥(对照组为重钙)；将上述材料按照程序混合搅拌均匀，将制成的涂层材料涂覆在不同表面条件的钢筋试件，每组实施案例涂覆三个试件，试件涂覆2层，涂膜干燥后(1d)即浸泡在3.5％NaCl水溶液中，采用电化学综合测试系统测试不同时间的涂覆试件电化学阻抗谱(EIS)、线性极化电阻(LPR)与腐蚀电流密度(I_corr)，实施例1到实施例6记录了不同试件处理条件下测试结果，每个实施案例取三试件线性极化电阻(LPR)、腐蚀电流密度(I_corr)的均值，见表2。

表1涂层配比及编号

结果表明：在实施例1中采用1#仅含有树脂的水泥基涂层涂覆打磨光亮的试件，尽管与对照组相比也有一定的保护作用，但是测得在3.5％NaCl水溶液浸泡7d以上，试件的腐蚀电流密度仍稍大，至10天试件已达轻微腐蚀程度。

实施例2采用打磨光亮的试件采用1#涂层基础上添加8％阻锈剂制成的2#涂层涂覆，在3.5％NaCl溶液中浸泡的整个试验过程钢筋腐蚀电流密度很低，到14天钢筋仍处于钝化状态，表明该涂层具有很好的阻锈与防护钢筋的能力。

实施例3在打磨光亮的试件上采用添加8％阻锈剂以及0.5％的超细纤维制成的3#涂层涂覆，在3.5％NaCl溶液中浸泡的试验过程钢筋腐蚀电流密度极低，到14天仍处于钝化状态，表明该涂层具有极好的钢筋阻锈与防护能力。

实施例4在锈蚀试件上采用1#仅含有树脂的水泥基涂层涂覆，在3.5％NaCl溶液浸泡的试验过程中钢筋腐蚀电流虽然比带锈测试的初值降低很多，但是7d时钢筋处于中度腐蚀状态，10天后钢筋处于严重腐蚀状态，表明该涂层虽具有一定防护能力，但是效果不佳。

实施例5采用添加8％阻锈剂制成的2#涂层涂覆锈蚀的钢筋试件，在3.5％NaCl溶液中浸泡的试验过程，7d，10d时钢筋腐蚀电流密度很低，表明该涂层具有良好的修复防护效果，但是到14天腐蚀电流密度有明显提高，表明对于锈蚀的钢筋涂层涂覆后虽具有良好的修复和保护钢筋能力，但仍应限制其在严酷氯盐环境下中使用。

实施例6采用添加8％阻锈剂以及0.5％的超细纤维制成的3#涂层涂覆锈蚀的钢筋试件，涂覆后在3.5％NaCl溶液中浸泡的试验过程，7d内钢筋腐蚀电流密度很低，14d钢筋仅处于低度腐蚀状态，表明该涂层具有很好的修复与防护能力，但仍然应限制其在严酷氯盐环境下中使用。

上述实施例充分说明采用本发明制备的绿色化水泥基钢筋阻锈与防护涂层具有良好的带锈防护、阻锈及修复效果。应用本发明的涂层在滨海某城市高层建筑基础外露钢筋的防护和后浇带钢筋的保护等工程应用中取得了显著技术经济效果。

Claims

1.一种钢材阻锈与防护的涂层，由复合锈转化剂、热塑性或热固性树脂、水泥、复合表面活性剂、超细纤维及水组分复合而成，其中以质量计，复合锈转化剂∶热塑性或热固性树脂∶水泥∶复合表面活性剂∶超细纤维＝0.5～15∶10～30∶20～65∶0～4∶0～5。

2.根据权利要求1所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述的复合锈转化剂成分主要由二价或三价金属氧化物、磷酸盐类物质、活性填料、碱性氢氧化物按照质量比为2∶8∶8∶1复配构成，复合锈转化剂能与在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜。

3.根据权利要求2所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述的其中二价或三价金属氧化物为氧化锌、氧化钡、氧化铝、氧化铁的一种或多种；磷酸盐类物质为二水合磷酸锌、四水合磷酸锌的一种或两种；活性填料为铁红或锌黄；碱性氢氧化物为氢氧化铝、氢氧化锌的一种或两种。

4.根据权利要求1-3之一所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述的表面活性剂为含巯基的吉米奇季铵盐阳离子表面活性剂，其由巯基乙酸钠盐、2-硫醇基苯并噻唑钠盐与烷基二甲基叔胺为原料按反应的摩尔比反应制得。

5.根据权利要求4所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述树脂为聚丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂及其组合。

6.根据权利要求5所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述超细纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、碳纤维、矿物纤维或植物纤维，所述超细纤维直径在10nm～500nm之间。

7.根据权利要求5所述的钢材阻锈与防护的涂层，其特征在于所述树脂中还添加适量的流平剂、触变剂、抗氧剂，以及适量的二氧化钛、滑石粉或轻钙粉。

8.权利要求1-7之一所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，包括以下步骤：

(5)将上述制备的均匀的水泥基涂料，采用刷涂、滚涂或喷涂施工工艺涂覆到需要保护的钢材或者结构混凝土表面，涂覆前要求基面干燥、平整、牢固、干净无浮土，一般涂覆分2层，即底层和面层，两层之间的时间间隔以前一层涂膜干固不粘为准，形成厚度约0.5～1mm左右的涂层。

9.根据权利要求8所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于复合锈转化剂与聚合物树脂分别按照传统技术制成水乳液或水溶液再按比例复合制成，或将各组分按照比例一步合成微乳液，制备的微乳液连续地从W/O型结构向O/W型结构转变。

10.根据权利要求9所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于所述的复合锈转化剂主要由二价或三价金属氧化物、磷酸盐类物质、活性填料、碱性氢氧化物按照质量比为2∶8∶8∶1复配构成，复合锈转化剂能与在锈蚀的钢筋表面形成稳定的磷化膜、络合物沉淀膜。

11.根据权利要求10所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于其中二价或三价金属氧化物为氧化锌、氧化钡、氧化铝、氧化铁的一种或多种；磷酸盐类物质为二水合磷酸锌、四水合磷酸锌的一种或两种；活性填料为铁红或锌黄；碱性氢氧化物为氢氧化铝、氢氧化锌的一种或两种。

12.根据权利要求11所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于所述的表面活性剂为含巯基的吉米奇季铵盐阳离子表面活性剂，其由巯基乙酸钠盐、2-硫醇基苯并噻唑钠盐与烷基二甲基叔胺为原料按化学反应的摩尔比反应制得。

13.根据权利要求12所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于所述树脂为聚丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂及其组合。

14.根据权利要求13所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于所述超细纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、碳纤维、矿物纤维或植物纤维，超细纤维直径在10nm～500nm之间。

15.根据权利要求14所述的钢材阻锈与防护的涂层的制备方法，其特征在于所述树脂中还添加适量的流平剂、触变剂、抗氧剂，以及适量的二氧化钛、滑石粉或轻钙粉。