CN108192453B - 用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，其特征在于:包括A组分和B组分，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3‑20份、偶联剂2‑15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3‑15份、催化剂0.4‑0.9份；利用材料的超疏水性及时将路表雨水排走从而实现降低凝冰厚度和强度的目的，起到主动抗凝冰的作用；利用超疏水材料对雨水的隔离作用显著降低暗冰与路面的粘附力，降低除冰难度，同时通过其密水作用，避免了大量雨水深入到路面内部引起路面冻融破坏，保护路面结构，具有疏水性强、耐老化、环境友好的特点，且该材料的其合成成本较低，不需要添加大型施工设备，施工简便，可操作性强。

Description

用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及抗凝冰材料，特别涉及一种用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料及其制备方法。
背景技术
高寒地区特殊的地理气候条件严重影响路面的行使功能，安全隐患在冬季尤其突出。据不完全统计，15％左右的交通事故与道路冰雪有关，而这一数据对于高寒的山区道路、景区公路及高速公路来说，将会成倍上升。在高寒地区，常年不断的暗冰乃是交通事故的罪魁祸首。因此如何保障高海拔地区道路的安全运营就成为了建设业主、设计单位及科研单位密切关注的严峻问题。一方面，厚度大强度高的凝冰不仅直接导致严重而频繁的交通事故，造成严重的经济和人民生命财产损失，影响道路运营的连续性，不断考验着交通运输的安全性，而且给除冰工作增添了巨大难度；另一方面，凝冰融化之后的雨水进入沥青路面内部反复冻融严重降低了路面沥青结合料与集料的粘结能力，加速路面早期破坏。随着雨水的浸入与结冰后体积膨胀，加剧了路面原有病害，并在凝冰作用下产生新的损伤，如松散，剥落等病害。
因此，针对高寒山区的道路情况，需要一种超疏水抗凝冰材料，一方面，通过抗凝冰材料的超疏水性及其涂膜对雨水的隔离作用显著降低暗冰强度和厚度，减小暗冰与路面的粘附力，从而明显增强路面的行车安全性；另一方面，避免雨水进入路面引起路面冻融破坏，保护路面结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料及其制备方法，通过抗凝冰材料的超疏水性及其涂膜对雨水的隔离作用显著降低暗冰强度和厚度，减小暗冰与路面的粘附力，从而明显增强路面的行车安全性，同时，避免雨水进入路面引起路面冻融破坏，保护路面结构。
本发明的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，包括A组分和B组分，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3-20份、偶联剂2-15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3-15份、催化剂0.4-0.9份；
进一步，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂6份、偶联剂8份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂7份、催化剂0.5份；
进一步，所述聚丙烯酸酯乳液为以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和丙烯酸乙酯为单体，以十二烷基苯环酸钠为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂为原料乳化聚合制得；
进一步，所述A组分中，交联剂为正硅酸乙酯，偶联剂为硅烷偶联剂KH550；
进一步，所述B组分中，红外吸收剂为纳米二氧化钛，催化剂为二月桂酸丁基锡，有机硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷。
本发明还公开一种用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至35-45℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为40-45℃下内恒温15-25min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌3-5min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝1-3：1混合后在温度为30-40℃下搅拌8-15分钟；
进一步，步骤1)中，将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至40℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为42℃下内恒温20min制得A组分；
进一步，步骤2)中，将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌4min，制得B组分；
进一步，步骤3)中，将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为35℃下搅拌10分钟。
本发明的有益效果：本发明的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料及其制备方法，利用材料的超疏水性及时将路表雨水排走从而实现降低凝冰厚度和强度的目的，起到主动抗凝冰的作用；利用超疏水材料对雨水的隔离作用显著降低暗冰与路面的粘附力，降低除冰难度，同时通过其密水作用，避免了大量雨水深入到路面内部引起路面冻融破坏，保护路面结构，具有疏水性强、耐老化、环境友好的特点，且该材料的其合成成本较低，不需要添加大型施工设备，施工简便，可操作性强。
具体实施方式
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，包括A组分和B组分，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3-20份、偶联剂2-15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3-15份、催化剂0.4-0.9份；丙烯酸酯乳液与其他组分协同作用，主要起两个作用，一是疏水作用，二是与沥青路面的粘接作用；有机硅氧烷与其他组分协同作用对聚丙烯酸酯乳液的耐水性耐沾污性差、低温脆性等不足进行改性；偶联剂与其他组分协同作用在固化过程中形成立体网状结构，增大涂膜强度；交联剂与其他组分协同作用在固化过程中形成致密的网状结构，增强抗凝冰材料涂膜的强度；催化剂与其他组分协同作用在固化过程中促进固化速度；红外吸收剂与其他组分协同作用在超疏水抗凝冰材料的使用过程中能吸收一定波长的可见光，提高路表温度，加速凝冰融化。
本实施例中，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂6份、偶联剂8份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂7份、催化剂0.5份。
本实施例中，所述聚丙烯酸酯乳液为以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和丙烯酸乙酯为单体，以十二烷基苯环酸钠为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂为原料乳化聚合制得；产品的制备方法直接影响该产品的理化性能，通过合理的方法优化聚丙烯酸酯乳液在疏水和粘结方面的性能，并确保与其他组分的相容性。
本实施例中，所述A组分中，交联剂为正硅酸乙酯，偶联剂为硅烷偶联剂KH550；与其他组分协同作用在固化过程中形成的网状结构密度高、韧性好、强度大、厚度合理，增大涂膜强度。
本实施例中，所述B组分中，红外吸收剂为纳米二氧化钛，催化剂为二月桂酸丁基锡，有机硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷；端羟基聚二甲基硅氧烷与其他组分协同作用对聚丙烯酸酯乳液的耐水性耐沾污性差、低温脆性进行改性的效果最佳，提高材料的耐水抗污性，提高材料的韧性和强度。
本发明还公开一种用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至35-45℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为40-45℃下内恒温15-25min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌3-5min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝1-3：1混合后在温度为30-40℃下搅拌8-15分钟；采用带磁力搅拌装置和冷凝管的反应釜，水浴控温。首先按一定配比加入聚丙烯酸酯乳液、交联剂和偶联剂，制得甲组分，再通过添加有机硅氧烷、红外吸收剂和催化剂，制得乙组分；在产品应用之前将甲乙组分混合料并搅拌，通过一定的工艺喷吐于沥青路面表面即可；合成成本较低，不需要添加大型施工设备，施工简便，可操作性强。
本实施例中，步骤1)中，将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至40℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为42℃下内恒温20min制得A组分；
本实施例中，步骤2)中，将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌4min，制得B组分；
本实施例中，步骤3)中，将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为35℃下搅拌10分钟。
实施例一
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3份、偶联剂2份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3份、催化剂0.4份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至35℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为40℃下内恒温15min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌3min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝1：1混合后在温度为30℃下搅拌8分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实施例二
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂20份、偶联剂15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂15份、催化剂0.9份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至45℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为45℃下内恒温25min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌5min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝3：1混合后在温度为40℃下搅拌15分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实施例三
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3份、偶联剂15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3份、催化剂0.9份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至35℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为45℃下内恒温15min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌5min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为30℃下搅拌12分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实施例四
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂10份、偶联剂2份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂12份、催化剂0.6份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至40℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为42℃下内恒温20min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌4min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为35℃下搅拌15分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实施例五
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂20份、偶联剂15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂8份、催化剂0.8份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至42℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为40℃下内恒温18min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌4min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝1.5：1混合后在温度为35℃下搅拌10分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实施例六
本实施例的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂6份、偶联剂8份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂7份、催化剂0.5份。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液加入到带磁力搅拌和冷凝管的反应釜中，水浴控温，打开冷凝装置，磁力搅拌下缓慢升温，升温至40℃时加入交联剂和偶联剂混合搅拌并在温度为42℃下内恒温20min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合轻微搅拌3min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为35℃下搅拌10分钟；停止加热自然冷却至室温，然后停止搅拌，制得本实施例的用于高寒地区沥青路面的双组分超疏水抗凝冰材料。
实验一：超疏水效果测试
对比研究涂布一定厚度的超疏水抗凝冰材料(实施例六)前后水与沥青路面界面的接触角变化，可以评价该材料的疏水效果。
以沥青砼为载体，将超疏水抗凝冰材料涂覆在沥青砼表面，固化后用浓硫酸进行表面修饰后，再用去离子水冲洗，在110℃干燥30分钟即可进行实验，，试验结果见下表。
涂刷超疏水抗凝冰材料前后沥青砼试块对水的接触角
试件编号 未涂刷超疏水抗凝冰材料 涂刷超疏水抗凝冰材料
1 105.42° 144.64°
2 109.36° 143.58°
3 101.97° 140.55°
4 98.76° 147.21°
5 107.33° 148.83°
平均值 104.57° 144.96°
试验结果表明，超疏水抗凝冰材料对沥青砼的表面特性产生了重要影响，一方面它使沥青砼对水的接触角由104.57°提升到了144.96°，即由弱疏水变为强疏水，明显降低了雨水在沥青砼表面的浸润性，不利于雨水在沥青路面的滞留，从而减小了雨水在沥青砼表面结冰的可能。
实验二：超疏水抗凝冰材料的密水性试验
通过渗水仪测试其渗水速度，评价沥青路面涂刷超疏水抗凝冰材料(实施例六)前后的密水性，试验结果如下表：
涂刷超疏水抗凝冰材料前后沥青砼试块的渗水速率
Figure BDA0001570139560000081
Figure BDA0001570139560000091
显然，由于自身良好的密水性，使沥青砼的密水性提高了3个数量级，不利于雨水在沥青路面的滞留，从而减小了雨水在沥青砼表面结冰的可能，保护了路面结构。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，其特征在于:包括A组分和B组分，所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂3-20份、偶联剂2-15份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂3-15份、催化剂0.4-0.9份；所述聚丙烯酸酯乳液为以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和丙烯酸乙酯为单体，以十二烷基苯环酸钠为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂为原料乳化聚合制得；所述A组分中，交联剂为正硅酸乙酯，偶联剂为硅烷偶联剂KH550；所述B组分中，红外吸收剂为纳米二氧化钛，催化剂为二月桂酸丁基锡，有机硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料，其特征在于:所述A组分原料按重量份包括以下组分：聚丙烯酸酯乳液100份、交联剂6份、偶联剂8份；所述B组分原料按重量份包括以下组分：有机硅氧烷50份、红外吸收剂7份、催化剂0.5份。
3.根据权利要求1所述的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至35-45℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为40-45℃下内恒温15-25min制得A组分；
2)将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌3-5min，制得B组分；
3)将A组分和B组分按质量比A：B＝1-3：1混合后在温度为30-40℃下搅拌8-15分钟。
4.根据权利要求3所述的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，将聚丙烯酸酯乳液缓慢升温至40℃时加入交联剂和偶联剂混合并在温度为42℃下内恒温20min制得A组分。
5.根据权利要求4所述的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，将有机硅氧烷、催化剂和红外吸收剂混合搅拌4min，制得B组分。
6.根据权利要求5所述的用于高寒地区的双组分超疏水抗凝冰材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，将A组分和B组分按质量比A：B＝2：1混合后在温度为35℃下搅拌10分钟。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102731022A (zh) * 2012-06-27 2012-10-17 哈尔滨工业大学 一种沥青路面抗凝冰损伤防护材料及其制备方法
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CN106811118A (zh) * 2017-02-07 2017-06-09 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 一种高耐候单组份有机硅混凝土防护涂料及其制备方法

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