CN108341635B - 一种超疏水水泥及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种超疏水水泥及其制备方法和应用，低速机械搅拌条件下，在乙醇中先后加入水泥粉、细沙和疏水改性剂，然后高速搅拌，获得改性水泥细沙溶液；将改性水泥细沙溶液过滤、烘干并破碎，获得超疏水水泥细沙混合粉；低速机械搅拌条件下，将超疏水水泥细沙混合粉投入含有表面活性剂、分散剂和氟硅烷的水溶液中，然后机械搅拌，形成超疏水水泥。该方法不需另外配备涂层，工艺简单、易操作，适合大规模制备生产，所得的混凝土整体超疏水性均良好，且磨损后内部仍未超疏水，超疏水特性不易被破坏，适用于各种混凝土应用场所，前景良好。
Description
技术领域
本发明属于新型建筑材料及其涂层制备技术领域，具体涉及一种超疏水水泥及其制备方法和应用。
背景技术
从1824 年开始，波特兰水泥和砂石料以其使用范围广、性价比高等优势成为土木建筑工程中广泛使用的建筑原材料，由它们配制而成的混凝土也成为了最受欢迎的人造石，随着社会发展，混凝土的用量也在与日俱增。但是，普通混凝土表面的亲水性和多孔结构使其在恶劣环境下的耐久性存在很大的问题，比如在严酷的海洋环境、除冰盐环境、硫酸盐环境中，钢筋锈胀、混凝土开裂松散一直是混凝土工程界面临的严重问题，社会经济损失十分巨大。另一方面，对于混凝土外墙立面装饰材料，随着时间的推移，会出现墙体发霉、沾灰、沾污、微生物附着等现象，使得立面表面变脏，会严重影响建筑物美观与使用寿命。
超疏水表面指与水滴的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。自“荷叶效应”发现以来，超疏水表面在自清洁、防腐防霉、防冰防霜和油水分离等领域具有广泛应用。而由此构建的超疏水混凝土可以有效缓解或解决上述混凝土耐久性问题。目前，超疏水混凝土的构建主要有两种方式。一种方式是在混凝土表面做涂层处理，但是疏水涂层的耐磨性远远低于混凝土自身，因此，在外力作用下，混凝土表面的疏水涂层耐磨性差，很容易遭受到破坏，从而使混凝土失去超疏水性。另一种方式是在混凝土体系内直接掺杂像硅烷乳液、氟硅烷等低表面能物质，但是这种方式制备的混凝土容易存在疏水性不均匀，且磨损后的混凝土表面粘附力上升的情况。
发明内容
解决的技术问题：为解决普通混凝土易结冰、在严酷环境下耐久性差及墙体易沾灰、沾污、发霉等缺点，本发明提供了一种超疏水水泥及其制备方法和应用。
技术方案：一种超疏水水泥的制备方法，包括以下步骤：(1) 100-500rpm低速机械搅拌条件下，在乙醇中先后加入水泥粉、细沙和疏水改性剂，然后在1000-3000rpm转速条件下高速搅拌12-48h，获得改性水泥细沙溶液；各组分的质量配比为：水泥粉50-150份，细沙0-500份，疏水改性剂1-20份，乙醇50-150份；(2) 将改性水泥细沙溶液过滤、烘干并破碎，获得200-400目超疏水水泥细沙混合粉；(3) 100-500rpm低速机械搅拌条件下，将超疏水水泥细沙混合粉投入含有表面活性剂、分散剂和氟硅烷的水溶液中，然后在500-2000rpm转速条件下机械搅拌5-30min，形成超疏水水泥；各组分的质量配比为：超疏水水泥细沙混合粉50-150份，表面活性剂0.5-1.5份，分散剂0.5-2份，氟硅烷0.5-1.5份，水10-100份。
优选的，上述水泥粉为普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水色水泥、镁水泥中的至少一种。
优选的，上述细沙为经过60-200目筛选的石英砂、河沙或海沙中的至少一种。
优选的，上述疏水改性剂为烷基硅氧烷或氟硅烷。
优选的，上述表面活性剂为全氟丙烯酸共聚物表面活性剂、全氟烷基丙烯酸酯表面活性剂、氟化烷基磺酸盐表面活性剂、氟碳表面活性剂、聚乙烯醇表面活性剂中的至少一种。
优选的，上述分散剂为甲基丙烯酸羟乙酯（HPMA）、聚乙二醇200、聚乙二醇400、焦磷酸钠、磷酸三钠、偏硅酸钠、二硅酸钠、烷基芳基磺酸盐、烷基苯磺酸盐中的至少一种；
优选的，上述改性水泥细沙溶液中各组分的质量配比为：水泥50份，细沙50份，疏水改性剂1份，乙醇50份。
超疏水水泥的制备方法，制备所述超疏水水泥浆体时，各组分的质量配比为：超疏水水泥细沙混合粉50份，水10-100份，氟硅烷1份，表面活性剂1.2份，分散剂0.5份。
上述制备方法制得的超疏水水泥。
上述超疏水水泥的应用，将超疏水水泥喷涂、辊涂或刷涂至基材上，室温下自然晾干成型后即可获得超疏水水泥涂层；或直接将超疏水水泥浆体浇入模具内，室温下自然成型后获得超疏水水泥块。
有益效果：（1）将水泥细沙颗粒首先在乙醇中加入疏水改性剂进行改性，获得超疏水水泥细沙混合粉，有利于提高水泥涂层或水泥块的疏水均匀性。（2）和普通水泥涂层或水泥块相比，本发明所述的超疏水涂层或水泥块内外均具有优异的超疏水性，即使在严重磨损、长时间酸碱盐溶液浸泡、多周期冻融循环测试后，超疏水性无明显变化。（3）与普通涂层技术相比，本发明制备的超疏水水泥涂层或水泥块，具有优异的防污、防尘、防腐、防渗透、抗结冰、防结露等性能，可显著提高该类水泥基材料的耐久性和使用寿命。（4）与其他超疏水技术相比，超疏水水泥主体属于无机涂层，具有不燃、抗老化、成本低、环保、施工简便等独特优势，适合建筑、桥梁、隧道、公路等多种条件下大规模应用，也适合于其它各类需要超疏水涂层技术的应用场合。
附图说明
图1.超疏水水泥块上水滴形态数码图。
图2.超疏水水泥块水滴接触角图。
图3.超疏水水泥块扫描电子显微镜图。
图4.超疏水水泥涂层砂纸打磨100次后水滴接触角图。
图5.超疏水水泥涂层经砂纸打磨100次后扫描电子显微镜图。
具体实施方式
本发明提出了一种新的制备整体超疏水的方法，有效解决了混凝土整体超疏水这一技术难题。该方法不需另外配备涂层，工艺简单、易操作，适合大规模制备生产，所得的混凝土整体超疏水性均良好，且磨损后内部仍未超疏水，超疏水特性不易被破坏，适用于各种混凝土应用场所，前景良好。
实施例1：
在500rpm的低速机械搅拌条件下，按质量比，向50份无水乙醇中先后加入1份F-1061型氟硅烷、50份水泥、50份细沙，然后2500rpm高速搅拌12h，获得水泥细沙溶液。将改性水泥细沙溶液过滤，并在100℃下烘干、破碎，获得200目超疏水水泥细沙混合粉。为了突出改性超疏水水泥细沙混合粉的疏水性效果，在1500rpm高速搅拌条件下，将50份改性超疏水水泥细沙混合粉和50份未经过改性的普通水泥细沙混合粉分别投入含有1.2份全氟丙烯酸共聚物表面活性剂（表面活性剂）、1份F-1061型氟硅烷、0.5份甲基丙烯酸羟乙酯（分散剂）90份水的水溶液中，搅拌20min后形成水泥浆。将搅拌后的水泥浆浇入培养皿内，震荡抹平后室温成型风干。改性的超疏水水泥细沙混合粉成型后可获得接触角156°，滚动角2°的超疏水混凝土试块。图1、图2、图3分别是水滴在超疏水水泥块表面的数码照片、水滴接触角光学照片和扫描电子显微镜照片，从图中可以看出本专利制备的超疏水水泥块优异的疏水性。而未经过改性的水泥细沙粉直接与氟硅烷搅拌成型后的样品表面接触角仅有135°，且滚动角为40°，疏水效果一般。
实施例2：
在100rpm的低速机械搅拌条件下，向150份无水乙醇中先后加入2.4份氟硅烷、150份水泥、50份细沙，然后2500rpm高速搅拌18h，获得改性水泥细沙溶液。将改性水泥细沙溶液过滤，并在100℃下烘干、破碎，获得200目超疏水水泥细沙混合粉。在1500rpm高速搅拌条件下，将超疏水水泥细沙混合粉投入含有1.5份氟化烷基磺酸盐表面活性剂（表面活性剂）、0.6份氟硅烷、0.8份偏硅酸钠（分散剂）、70份水的水溶液中，搅拌5min后形成水泥浆。将水泥浆喷涂至普通波特兰水泥块表面，室温下自然晾干成型后即可获得接触角156°，滚动角3°的超疏水水泥涂层。
实施例3：
在300rpm的低速机械搅拌条件下，向100份无水乙醇中先后加入1.5份烷基硅氧烷、100份水泥，150份细沙，然后2500rpm高速搅拌48h，获得改性水泥细沙溶液。将改性水泥细沙溶液过滤，并在80℃下烘干、破碎，获得350目超疏水水泥细沙混合粉。在1500rpm高速搅拌条件下，将超疏水水泥细沙混合粉投入含有0.8份氟碳表面活性剂（表面活性剂）、1.5份氟硅烷、1.0份磷酸三钠（分散剂）、85份水的水溶液中，搅拌5min后形成水泥浆。将水泥浆刷涂至外墙立面，室温下自然晾干成型即可获得接触角155°，滚动角为3°的超疏水水泥涂层。
实施例4：
为了验证超疏水水泥块的抗冻融性能，取出实施例1中所得的超疏水水泥块若干，并制备相同配比的普通硅酸盐水泥块作冻融循环对比试验。按照国标GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，在冻融循环前，先将20×20×20mm3的超疏水水泥立方体试块和普通硅酸盐水泥立方体试块在18-22℃下在水中浸泡4天，之后将样品放入冻融循环箱中，试件中心最低和最高温度分别控制在-17℃和6℃，一次冻融循环控制在3h左右完成。在200次冻融循环后，普通混凝土剥落严重，质量损失达8.0%，而超疏水水泥块无剥落，无质量损失。
实施例5：
为了验证超疏水水泥块的抗化学侵蚀性能，取出实施例1中所得的超疏水水泥块若干，并制备相同配比的普通硅酸盐水泥块作抗化学侵蚀试验。人工腐蚀溶液有: 5% 盐酸溶液、5% NaOH 溶液和5% MgSO4溶液。对比水泥试块在水中标准养护，将标养后的超疏水水泥试块和普通硅酸盐水泥试块置于不同侵蚀溶液中侵蚀一定龄期后，测试混凝土试件的质量损失，并将其作为评价超疏水水泥块抗化学侵蚀能力的指标。对于普通硅酸盐水泥试块，在5% NaOH 溶液和5% MgSO4溶液中浸泡3个月后，各试块平均质量分别增加5g和11g，而在5%盐酸溶液中，试块质量明显减少，平均质量损失52g。而对于超疏水水泥块，在三种侵蚀溶液中浸泡3个月后样品质量均无明显变化，抗化学侵蚀性能优异。
实施例6：
为了检验超疏水水泥涂层的耐磨性，取出实施例2制备的超疏水水泥涂层若干，将其置于在100g砝码的压力下，于1200目砂纸上摩擦，每个摩擦周期指横向、纵向各摩擦10cm。在100个打磨周期后，超疏水水泥涂层表面水滴接触角仍有152°。图4是超疏水水泥涂层砂纸打磨100次后水滴接触角图片，图5是超疏水水泥涂层经砂纸打磨100次后扫描电子显微镜图片。
实施例7：
取出实施例3制备的超疏水水泥涂层，按照国标GB9780-2013《建筑涂料涂层耐沾污性实验方法》，在超疏水水泥涂层表面均匀撒上50g粉煤灰，然后将样品倾斜45°，用去离子水以一定的速度冲击样品表面，发现样品表面粉尘可以全部被带走，表面没有任何残留，自清洁效果优异。
Claims (10)
1.一种超疏水水泥的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1) 100-500rpm低速机械搅拌条件下，在乙醇中先后加入水泥粉、细沙和疏水改性剂，然后在1000-3000rpm转速条件下高速搅拌12-48h，获得改性水泥细沙溶液；各组分的质量配比为：水泥粉50-150份，细沙50-500份，疏水改性剂1-20份，乙醇50-150份；
(2) 将改性水泥细沙溶液过滤、烘干并破碎，获得200-400目超疏水水泥细沙混合粉；
(3) 100-500rpm低速机械搅拌条件下，将超疏水水泥细沙混合粉投入含有表面活性剂、分散剂和氟硅烷的水溶液中，然后在500-2000rpm转速条件下机械搅拌5-30min，形成超疏水水泥；各组分的质量配比为：超疏水水泥细沙混合粉50-150份，表面活性剂0.5-1.5份，分散剂0.5-2份，氟硅烷0.5-1.5份，水10-100份。
2.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述的水泥粉为普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水色水泥、镁水泥中的至少一种。
3.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述细沙为经过60-200目筛选的石英砂、河沙或海沙中的至少一种。
4.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述疏水改性剂为烷基硅氧烷或氟硅烷。
5.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为全氟丙烯酸共聚物表面活性剂、全氟烷基丙烯酸酯表面活性剂、氟化烷基磺酸盐表面活性剂、氟碳表面活性剂、聚乙烯醇表面活性剂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇200、聚乙二醇400、焦磷酸钠、磷酸三钠、偏硅酸钠、二硅酸钠、烷基芳基磺酸盐、烷基苯磺酸盐中的至少一种。
7.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于所述改性水泥细沙溶液中各组分的质量配比为：水泥50份，细沙50份，疏水改性剂1份，乙醇50份。
8.根据权利要求1所述超疏水水泥的制备方法，其特征在于制备所述超疏水水泥浆体时，各组分的质量配比为：超疏水水泥细沙混合粉50份，水10-100份，氟硅烷1份，表面活性剂1.2份，分散剂0.5份。
9.权利要求1~8任一所述制备方法制得的超疏水水泥。
10.权利要求9所述超疏水水泥的应用，其特征在于将超疏水水泥喷涂、辊涂或刷涂至基材上，室温下自然晾干成型后即可获得超疏水水泥涂层；或直接将超疏水水泥浆体浇入模具内，室温下自然成型后获得超疏水水泥块。
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