CN110229023B - 一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层及其施工方法，属于防侵蚀高分子材料技术领域，本发明由涂覆在混凝土基体表面的三层结构复合而成，由内到外依次为：硅烷浸渍层、环氧中间层、氧化石墨烯有机复合面层，该防护复合涂层是在硅烷浸渍的基础上进行涂层涂装，充分整合利用硅烷浸渍、有机物和氧化石墨烯三种技术的优势，实现对海工混凝土的长久保护，保证混凝土工程使用寿命达到甚至超过设计要求。

Description

一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层及其施工 方法
技术领域
本发明属于防侵蚀高分子材料技术领域，具体涉及一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层及其施工方法。
背景技术
混凝土作为海洋基础建设中用量最大的建筑材料，被广泛应用到水利工程、桥隧工程、钻井平台等相关领域，然而，对于海底隧道、跨海大桥、采油平台等长期暴露于海洋环境下的混凝土结构，由于海水长期侵蚀混凝土结构，致使氯离子渗透至钢筋表面，导致钢筋腐蚀破坏，降低其结构本省的服役年限。因此，需对海工混凝土采取保护措施，防止有害介质进入混凝土内部，以提高海工混凝土的耐久性。
针对上述情况，可以在海工混凝土表面涂覆保护层可以隔离有害物质，改善混凝土结构抗渗性能。表面硅烷浸渍作为一种有效的防护方法，利用自身的小分子结构，可穿透混凝土表层，渗透至混凝土内部数毫米深度，并相互缩合在基材表面毛细孔壁形成一层均匀致密且连续的网状斥水性硅氧烷憎水薄膜，能起到防水的功效和阻止外部有害物质的侵入。但硅烷浸渍处理过程中，因硅烷用量、涂装工艺、环境温度、表面湿度等因素的影响，使硅烷的渗透深度降低，且硅烷老化快，无法达到持续、理想的防护效果。
虽然有机涂料在混凝土表面均形成了密封膜，这些密封膜封闭了混凝土的毛细管道，当混凝土内部水汽的散出时会使得这种封闭膜破裂，使用寿命大大缩短。
近些年，氧化石墨烯由于其力学性能优良，同时具有超大比表面积和柔韧性而成为了国内外的研究热点，将氧化石墨烯加入到有机物质中，制备氧化石墨烯有机复合防护涂层结合了有机涂层的粘结性，柔顺性，加工性和氧化石墨烯的阻隔性，力学性能，耐热性，化学稳定性，是最为简洁、最具有应用背景的腐蚀防护涂层制备技术。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层及其施工方法，所述涂层为在混凝土基体上由内向外依次为硅烷浸渍层、环氧中间层、氧化石墨烯有机复合面层。是在硅烷浸渍的技术上进行氧化石墨烯有机复合涂装，充分发挥两种技术的优势，保证海工混凝土工程使用寿命达到设计使用年限。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案实现的：
一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，所述涂层为在混凝土基体上由内向外依次为硅烷浸渍层、环氧中间层、氧化石墨烯有机复合面层。
进一步地，所述硅烷浸渍层为异丁基三乙氧基硅烷。
进一步地，所述环氧中间层的厚度为200μm；所述氧化石墨烯有机复合面层的厚度为40μm。
进一步地，所述氧化石墨烯有机复合面层为氧化石墨烯与有机物质共混物，有机物采用氯丁胶乳、聚丙烯酸酯、硅丙乳液中的一种，通过溶液共混法进行混合。
进一步地，所述氧化石墨烯与有机物质共混物，每100g有机物质中添加0.5-2％的氧化石墨烯。
进一步地，所述氧化石墨烯有机复合面层的制备方法为氧化石墨烯采用改进Hummers法对石墨进行氧化，将石墨粉、NaNO3粉末与浓硫酸、磷酸在冰浴搅拌均匀，加入KMnO4持续搅拌；再将溶液在40℃水浴中持续搅拌，加入蒸馏水升温继续搅拌，冷却至室温加入H2O2，对产物进行离心洗涤、沉淀，得到的氧化石墨烯溶于蒸馏水制得氧化石墨烯水分散液；氧化石墨烯与有机物共混制备氧化石墨烯有机复合材料。
所述的一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层的施工方法，，所述方法包括：
(1)混凝土工程表面处理；
(2)涂装：在处理过的混凝土基体表面涂装硅烷浸渍层，所述硅烷浸渍层是用硅烷浸渍以每遍300g/m2的用量涂刷于混凝土基体的表面两遍，在硅烷浸渍层表面涂刷200μm厚环氧中间层，涂刷两遍，每遍厚100μm；最后在环氧中间层的表面涂刷两遍40μm厚的氧化石墨烯有机复合面层，每层厚20μm。
进一步地，所述涂装硅烷浸渍层两道工序之间间隔时间至少为6h。
进一步地，所述涂装硅烷浸渍层可采用膏体产品涂装一道。
硅烷与混凝土基体的化学结合分为四步：第一步为水解过程；第二步为缩合过程；第三步为缩聚产物与混凝土基体中的水发生反应，以氢键结合；第四步为脱水缩合形成硅树脂。
硅烷浸渍的防护原理为：小分子量的硅烷分子可以穿透混凝土表层，渗透到混凝土内部。在水和混凝土碱催化作用下，硅烷首先发生水解反应生成硅羟基，然后在硅羟基之间、硅羟基与混凝土表面和毛细孔隙中的羟基之间进一步发生缩合反应生成网状有机硅树脂，通过稳定的硅氧化学键，将有机硅分子牢固地附着在混凝土表面和毛细孔道中，形成一层坚固、刚柔的斥水层网状结构的硅树脂憎水层。
氧化石墨烯有机复合涂层防护机理：有机物与氧化石墨烯的结合主要是通过两者所携带的-OH发生脱水缩合反应，使复合乳液中-OH的数量少于硅烷乳液中-OH数量，同时C-OH的数量被消耗，使硅烷和氧化石墨烯以共价键Si-O-C连接。待复合有机乳液侵入到水泥基材料内部后形成一层絮状和簇状的致密结构，从而防止了氯离子对结构本身的侵蚀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，是在硅烷浸渍的基础上进行涂装，充分整合利用两种技术的优势，实现对氯盐侵蚀和海工混凝土的长久保护，保证混凝土工程使用寿命达到甚至超过设计要求。
附图说明
图1为一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层的结构示意图。
图中，1.混凝土基体，2.硅烷浸渍层，3.环氧中间层，4.氧化石墨烯有机复合面层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂涂层，由涂覆在混凝土基体1表面的三层结构复合而成，由内到外依次为：硅烷浸渍层2、环氧中间层3、氧化石墨烯有机复合面层4。
所述硅烷浸渍层2是用硅烷浸渍以每遍300g/m2的用量涂刷于混凝土基体1的表面2遍而成，两道工序之间间隔时间至少为6h，也可采用膏体产品涂装1道。
所述环氧中间层3的厚度为200μm，是用环氧中间漆以每道100μm的厚度，涂刷2遍于硅烷浸渍层2的表面；所述氧化石墨烯有机复合面层面4的厚度为40μm，涂刷两遍，每遍20μm。
氧化石墨烯有机复合面层4，通过制备氧化石墨烯与有机物质氯丁胶乳、聚丙烯酸酯、硅丙乳液中的一种，通过溶液共混法进行混合，制备氧化石墨烯有机复合面层材料。
种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，由涂覆在混凝土基体1表面的三层结构复合而成，由内到外依次为：硅烷浸渍层2、环氧中间层3以及氧化石墨烯有机复合面层4。
实施例1
本发明为一种海工混凝土的石墨烯有机复合防护涂层，由涂覆在混凝土基体1表面的三层结构复合而成，由内到外依次为：硅烷浸渍层2、环氧中间层3、氧化石墨烯有机复合层4。
所述硅烷浸渍层2是用硅烷浸渍剂以每遍300g/m2的用量涂刷于混凝土基体1的表面2遍而成，两道工序之间间隔时间至少为6h，也可采用膏体产品涂装1道。所述硅烷浸渍层2为福建思康新材料发展有限公司产品SP-205，即异丁基三乙氧基硅烷，浓度为98.9％以上。
所述环氧中间层3的厚度为200μm，环氧中间层能够增加硅烷浸渍层和氧化石墨烯有机复合面层之间的粘结；涂刷2遍于硅烷浸渍层2的表面。所述环氧中间层3为宁波大达化学有限公司生产的环氧中间漆，型号：E-26。
所述氧化石墨烯有机复合面层4为自制，其中氧化石墨烯与有机物质(氯丁胶乳、聚丙烯酸酯、硅丙乳液)的质量比：1∶50至1∶200之间。
所述氧化石墨烯有机复合面层4的制备过程是氧化石墨烯采用改进Hummers法对石墨进行氧化，将5g石墨粉、3gNaNO3粉末与125ml浓硫酸、15ml磷酸在冰浴搅拌均匀，随后缓慢加入20gKMnO4持续搅拌3h，溶液颜色变为墨绿色；将溶液在40℃水浴中持续搅拌2h，此时溶液变为粘稠的棕色液体；接着向溶液中加入蒸馏水230ml，温度上升至98℃左右继续搅拌0.5h，冷却至室温，然后加入50mlH2O2，等溶液变为亮黄色。用10％HCl和蒸馏水对产物进行离心洗涤、沉淀至溶液PH值接近7，将得到的氧化石墨烯溶于蒸馏水用300瓦超声波清洗机处理60min，得到氧化石墨烯水分散液，浓度配置5mg/ml。有机物采用氯丁胶乳、聚丙烯酸酯、硅丙乳液中的一种，通过溶液共混法进行混合，每100g有机物质中添加0.5-2％的氧化石墨烯，采用300瓦超声波清洗机超声60min，制备氧化石墨烯有机复合材料待用。氧化石墨烯有机复合面层4的厚度40μm，涂刷两篇，每遍涂刷厚度20μm。
该一种海工混凝土的石墨烯有机复合防护涂层的施工工艺，其步骤为：(1)混凝土工程表面处理：因混凝土表面的清洁度、干湿度、平整度不同，分为基本处理、轻度处理和重度处理，基本处理：用高压水枪冲洗混凝土工程待涂装表面，再用抹布擦干表面，保证混凝土表面无明水；轻处理：用角磨机打磨混凝土表面至无不牢固附着物、无脱模剂残留，用高压水枪冲洗待涂装面，再用抹布擦干表面，表面无明水，自然风干15min；重处理：用角磨机打磨混凝土表面至无不牢固附着物、无脱模剂残留，用高压水枪冲洗待涂装面，再用抹布擦干表面，表面无明水，热风吹干混凝土表面尽量干燥；(2)涂装：先用硅烷产品涂装于处理过的混凝土基体1表面，每遍用量为300g/m2，涂刷2遍；在硅烷浸渍层2表面涂刷200μm厚环氧中间层，涂刷2遍，每遍厚100μm；最后在环氧中间层3的表面涂刷2遍40μm厚的氧化石墨烯有机复合面层，每层厚20μm。
本发明所提出的一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层的耐盐水性≥600h，耐碱性≥860h，耐候性≥1000h，抗氯离子扩散系数≤10-12m2/s)，附着力≥1.5mPa。

Claims (4)

1.一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，其特征在于，所述涂层为在混凝土基体(1)上由内向外依次为硅烷浸渍层(2)、环氧中间层(3)、氧化石墨烯有机复合面层(4)；所述硅烷浸渍层(2)为异丁基三乙氧基硅烷；所述环氧中间层(3)的厚度为200μm；所述氧化石墨烯有机复合面层(4)的厚度为40μm；所述氧化石墨烯有机复合面层(4)为氧化石墨烯与有机物质共混物，有机物采用氯丁胶乳、聚丙烯酸酯、硅丙乳液中的一种，通过溶液共混法进行混合。
2.根据权利要求1所述的一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，其特征在于，所述氧化石墨烯与有机物质共混物，每100g有机物质中添加0.5-2％的氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层，其特征在于，所述氧化石墨烯有机复合面层(4)的制备方法为氧化石墨烯采用改进Hummers法对石墨进行氧化，将石墨粉、NaNO3粉末与浓硫酸、磷酸在冰浴搅拌均匀，加入KMnO4持续搅拌；再将溶液在40℃水浴中持续搅拌，加入蒸馏水升温继续搅拌，冷却至室温加入H2O2，对产物进行离心洗涤、沉淀，得到的氧化石墨烯溶于蒸馏水制得氧化石墨烯水分散液；氧化石墨烯与有机物共混制备氧化石墨烯有机复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种海工混凝土的氧化石墨烯有机复合防护涂层的施工方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)混凝土工程表面处理；
(2)涂装：在处理过的混凝土基体(1)表面涂装硅烷浸渍层(2)，所述硅烷浸渍层(2)是用硅烷浸渍以每遍300g/m2的用量涂刷于混凝土基体(1)的表面两遍，在硅烷浸渍层(2)表面涂刷200μm厚环氧中间层，涂刷两遍，每遍厚100μm；最后在环氧中间层(3)的表面涂刷两遍40μm厚的氧化石墨烯有机复合面层，每层厚20μm；所述涂装硅烷浸渍层(2)两道工序之间间隔时间至少为6h；所述涂装硅烷浸渍层(2)可采用膏体产品涂装一道。
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