CN109439193A - 一种固废基超疏水涂层及其涂装方法 - Google Patents

一种固废基超疏水涂层及其涂装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涂料技术领域，更具体而言，涉及一种固废基超疏水涂层及其涂装方法，以乙醇为稀释分散剂，避免了挥发性有机溶剂的使用，使得所述防水涂料具有环境友好性；超疏水涂层的填料使用固体废弃物颗粒，既可以降低成本，又可以变废为宝；本发明的超疏水涂层制作步骤简单，易于控制，利于大规模的工业化生产，涂装方法简单，易于推广。

Description

一种固废基超疏水涂层及其涂装方法
技术领域
本发明涉及涂料领域，更具体而言，涉及一种固废基超疏水涂层及其涂装方法。
背景技术
一般情况下，将固体表面与水的接触角小于90°的表面称为亲水表面，接触角大于等于90°的表面为疏水表面。其中，与水的接触角小于10°的表面为超亲水表面，而与水的接触角大于150°的表面为超疏水表面。超疏水表面因其独特的自清洁性能和潜在的应用价值正逐渐引起人们的广泛关注。超疏水性表面自清洁的基本原理是在低表面能物质表面构筑粗糙结构或者在粗糙结构表面修饰低表面能物质，使水滴可以在其表面呈球状并易于滚动，滚动的同时将表面的灰尘沾附在水滴并带走。具有超疏水性的表面不仅具有自清洁性质，其在防水防雾、防腐蚀、无损液滴传输等方面也具有极大的应用前景。因此具有超疏水性能的特殊浸润性表面是近年来的研究热点。
超疏水涂料近年来也得到了快速的发展，国内外学者对其做了大量的研究，在已知的研究中，申请号为CN201610840319.4的发明专利公开了一种基于水性乳液的超疏水涂料，将无机纳米粒子分散在乙醇中，依次加入水性乳液和含氟硅烷偶联剂搅拌0.5-2h 喷涂于玻璃、金属等基底，干燥后得到超疏水涂层。申请号为CN201610727348.X的发明专利公开了一种超疏水涂料，将疏水纳米颗粒、疏水树脂溶于溶剂中，混合液用于基材表面，晾干后得到超疏水涂层。
目前超疏水涂层需要用到价格昂贵的纳米颗粒和较大量的疏水材料，或价格较高或工艺负责，较难应用到实际中。因此，研究开发一种经济有效的超疏水涂层有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种施工简单、环境友好、防水性能好、价格低廉的固废基超疏水涂层及其涂装方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种固废基超疏水涂料，包括质量百分比为1~10%的改性超细固废颗粒，质量百分比为0.01~0.25%的硅烷偶联剂和乙醇，将硅烷偶联剂与乙醇混合，加入改性超细固废颗粒，超声制得固废基超疏水涂料。
进一步地，所述改性超细固废颗粒通过以下步骤制备：将超细固废颗粒、碱性钙源和水按照质量比为1:(0.5~2):15的比例加入三口烧瓶中，置于温度为40~70度的水浴锅中，搅拌速度在500~3000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体反应一段时间后，停止通气结束反应，过滤、干燥得到改性超细固废颗粒。
进一步地，所述碱性钙源为氢氧化钙、电石渣。
进一步地，所述超细固废颗粒颗粒粒径为0.1~40微米。
进一步地，所述超细固废颗粒为煤粉炉粉煤灰、流化床粉煤灰、钢渣粉、矿渣、草木灰、秸秆灰中的一种或多种。
进一步地，所述硅烷偶联剂为十七氟烷基三甲氧基硅烷、十七氟烷基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
一种固废基超疏水涂料的涂装方法，包括以下步骤：在材料表面喷一层喷雾粘合剂，晾干后喷涂固废基超疏水涂料，干燥，固废基超疏水涂料涂装完成。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供了一种固废基超疏水涂层及其涂装方法，以乙醇为稀释分散剂，避免了挥发性有机溶剂的使用，使得所述防水涂料具有环境友好性；超疏水涂层的填料使用固体废弃物颗粒，既可以降低成本，又可以变废为宝；本发明的超疏水涂层制作步骤简单，易于控制，利于大规模的工业化生产，涂装方法简单，易于推广。
附图说明
图1为本发明实施例1-5及对比例2的粉煤灰颗粒的扫描电镜及相应接触角对比图；
图2为本发明实施例8中不同混凝土块的6h吸水性对比图；
图3为本发明实施例1-5及对比例1-2的碳化改性超细煤粉炉粉煤灰基涂料的疏水效果对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种固废基超疏水涂料，包括质量百分比为1~10%的改性超细固废颗粒，质量百分比为0.01~0.25%的硅烷偶联剂和乙醇，将硅烷偶联剂与乙醇混合，加入改性超细固废颗粒，超声制得固废基超疏水涂料。所述改性超细固废颗粒通过以下步骤制备：将超细固废颗粒、碱性钙源和水按照质量比为1:(0.5~2):15的比例加入三口烧瓶中，置于温度为40~70度的水浴锅中，搅拌速度在500~3000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体反应一段时间后，停止通气结束反应，过滤、干燥得到改性超细固废颗粒。所述碱性钙源为氢氧化钙、电石渣。所述超细固废颗粒颗粒粒径为0.1~40微米。所述超细固废颗粒为煤粉炉粉煤灰、流化床粉煤灰、钢渣粉、矿渣、草木灰、秸秆灰中的一种或多种。所述硅烷偶联剂为十七氟烷基三甲氧基硅烷、十七氟烷基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
在本实施例中，所述超细固废颗粒颗粒粒径优选为0.5~10微米。
一种固废基超疏水涂料的涂装方法，包括以下步骤：在材料表面喷一层喷雾粘合剂，晾干后喷涂固废基超疏水涂料，干燥，固废基超疏水涂料涂装完成。
实施例1
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，并在线记录反应过程中pH的变化，8min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到改性超细固废颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料。
实施例2
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，并在线记录反应过程中pH的变化，16min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料。
实施例3
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，并在线记录反应过程中pH的变化，24min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料。
实施例4
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，并在线记录反应过程中pH的变化，32min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料。
实施例5
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，并在线记录反应过程中pH的变化，40min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料。
对比例1
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，并在线记录反应过程中pH的变化，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为2%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到未碳化粉煤灰超疏水涂料。
对比例2
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，并在线记录反应过程中pH的变化，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到未碳化粉煤灰超疏水涂料。
将实施例1~5制备的超疏水涂料和对比例1~2制备的未碳化粉煤灰超疏水涂料分别喷涂在在载玻片上，干燥后测其静态水接触角如表1所示。可以看出，未碳化粉煤灰颗粒-乙醇溶液中添加2%氟硅烷可以达到超疏水效果；而添加0.1%氟硅烷完全铺展。而通过碳化改性16min后的体系添加0.1%氟硅烷又可以达到超疏水效果。
将实施例1~5制备的超疏水涂料和对比例2的未碳化粉煤灰超疏水涂料做扫描电镜，如图1所示，未碳化的原灰颗粒表面光滑平整；而在40min内的碳化改性阶段，随着碳化时间的延长，粉煤灰颗粒表面的碳化反应产物碳酸钙颗粒越来越多，其对应的硅烷涂层的接触角呈现先增大后减小的趋势。碳化16min粉煤灰对应的硅烷涂层接触角为156.54°，属于超疏水范畴。从图1c可以看出，碳化16min的微米级粉煤灰颗粒表面有较多纳米级的碳酸钙晶体颗粒，形成粗糙的微米结构与纳米结构相结合的双重结构，大凸起之间留有一定的空隙，这种结构能使水滴与固体的接触面内截留大量的空气泡，形成一种超疏水的复合界面。
实施例6
将加入10g平均粒度为2.8μm的超细煤粉炉粉煤灰、10g氢氧化钙、150g水的三口烧瓶置于温度为65度的水浴锅中，搅拌速度在1500r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，碳化反应16min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml的3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶于浓度为0.1%的乙醇溶液中，加入1.3g 碳化改性16min的超细煤粉炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料，喷在载玻片上，干燥后的超疏水涂层的静态水接触角为152.3°。
实施例7
将加入10g平均粒度为3.5μm的超细流化床锅炉粉煤灰、10g电石渣、150g水的三口烧瓶置于温度为60度的水浴锅中，搅拌速度在1000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体进行碳化反应，碳化反应16min后停止通气，结束反应，过滤、干燥得到碳酸改性颗粒。
在50ml十七氟癸基三乙氧基硅烷浓度为0.15%的乙醇溶液中，加入1g 碳化改性16min的超细流化床锅炉粉煤灰，超声20min得到超疏水涂料，喷在载玻片上，干燥后的超疏水涂层的静态水接触角为158.1°。
实施例8
将超疏水涂料用于水泥砂浆混凝土试块的防水。
水泥砂浆混凝土块的制备：水泥砂浆混凝土试块的原料为水泥，砂子和水。混凝土配合比按照普通混凝土标准（JGJ55-2000）进行设计，混凝土试块配方质量比为水：水泥：砂子：石子=1:1.45:2.21:4.84。采用混凝土搅拌机，按照比例称取原料，倒入混凝土搅拌机中，搅拌5min，出料后倒入φ100mm×50mm的圆柱形模具中，常温养护一天后脱模，继续养护28天备用。
超疏水涂料使用：先在混凝土试块表面喷一层粘合剂，晾干后在表面继续喷涂实施例2中的超疏水涂料，干燥后，做了吸水实验。为排除粘合剂对疏水的效果影响，同时也做了原混凝土试块以及无喷胶超疏水涂层的混凝土试块的吸水性做对比，如图2所示。可以看出，混凝土原块的6h吸水率达到16%，而喷胶和未喷胶的混凝土块的吸水率基本持平，均低于1%。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固废基超疏水涂料，其特征在于：包括质量百分比为1~10%的改性超细固废颗粒，质量百分比为0.01~0.25%的硅烷偶联剂和乙醇，将硅烷偶联剂与乙醇混合，加入改性超细固废颗粒，超声制得固废基超疏水涂料。
2.根据权利要求1所述的一种固废基超疏水涂料，其特征在于，所述改性超细固废颗粒通过以下步骤制备：将超细固废颗粒、碱性钙源和水按照质量比为1:(0.5~2):15的比例加入三口烧瓶中，置于温度为40~70度的水浴锅中，搅拌速度在500~3000r/min，调节气体流量为1.2L/min时通入CO2气体反应一段时间后，停止通气结束反应，过滤、干燥得到改性超细固废颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种固废基超疏水涂料，其特征在于：所述碱性钙源为氢氧化钙、电石渣。
4.根据权利要求1或2所述的一种固废基超疏水涂料，其特征在于：所述超细固废颗粒颗粒粒径为0.1~40微米。
5.根据权利要求1所述的一种固废基超疏水涂料，其特征在于：所述超细固废颗粒为煤粉炉粉煤灰、流化床粉煤灰、钢渣粉、矿渣、草木灰、秸秆灰中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种固废基超疏水涂料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为十七氟烷基三甲氧基硅烷、十七氟烷基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
7.一种固废基超疏水涂料的涂装方法，其特征在于，包括以下步骤：在材料表面喷一层喷雾粘合剂，晾干后喷涂固废基超疏水涂料，干燥，固废基超疏水涂料涂装完成。
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