CN113185895A - 一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的应用 - Google Patents

一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的应用。该方法包括：将渗透剂、硅烷偶联剂、表面活性剂、树脂材料加入有机溶剂中，搅拌处理，得到混合液；将混合液与片层状硅酸盐材料混合，搅拌处理，接着进行超声处理，得到该涂层材料。该方法首先通过选用高比表面积，高长径比的片层状硅酸盐材料，再将其与低粘度，高渗透性的树脂材料进行复合，形成一种用于混凝土工程表面防护稳定防护体系。该涂层材料具有以下特点：树脂材料具有高渗透性能够渗透到混凝土内部，在混凝土表面形成根植的效果，层状材料能够在低粘度树脂材料中稳定分散，同时在树脂材料渗透的过程中能够铺展堆叠形成一种立体式防护结构。

Description

一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的 应用
技术领域
本发明属于海工混凝土表面防护领域，具体涉及一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的应用。
背景技术
随着我国经济的快速发展，陆地资源日益减少，开发海洋资源、利用海洋空间已成为我国未来发展的重要途径之一，混凝土是工程领域应用最广的一种建筑材料，海上空港、人造岛屿、海底隧道等海工建筑物都需要大量的混凝土进行建设，不仅如此新建的海洋结构工程由于海水长期浸泡、侵蚀、风浪、微生物等作用下，混凝土的腐蚀问题也日益突出，严重危害着海洋混凝土结构的耐久性和使用性，因此海洋环境下混凝土结构的腐蚀防护问题愈来愈收到重视。
海洋环境下混凝土结构的耐久性问题通常由于混凝土本身的劣化而造成的，在过去的研究中，众多科学家提出了提高混凝土自身耐久性的方法来减缓混凝土使用过程中的劣化，同时也有通过降低混凝土的水灰比，添加矿物掺合料、钢筋等方式来防止腐蚀性介质的渗透，以此来改善混凝土耐久性，但是这些方法都只能在新建的混凝土结构中使用，同时成本较高，从而限制了推广，对混凝土进行表面防护处理是目前为止使用的最广的一种关方法，通过对混凝土进行表面防护能够有效防止侵蚀性物质进入到混凝土内部，而且对于旧的混凝土结构也能进行表面防护。
传统的混凝土表面防护处理方法主要包括表面憎水处理，表面孔隙封堵处理，以及涂层表面涂敷处理。表面憎水处理会使混凝土表面防水，但是其抗冲刷能力、抗渗能力没有得到有效改善，表面孔隙封堵处理能够将混凝土表面的孔隙封堵，起到阻隔腐蚀因子进入到混凝土内部的作用，表面涂层涂附处理则是在混凝土表面涂刷有机涂层，例如专利(专利号CN 112143313A)中丙烯酸树脂聚合物涂层，其作用与孔隙封堵处理相似，无法渗透到混凝土内部。在恶劣海洋环境下，这些传统的表面处理方法都难以满足混凝土耐久性防护的要求，在长期的海洋腐蚀介质作用下，经过传统表面处理的混凝土结构依旧会遭受严重的耐久性破坏。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种涂层材料及其制备方法与在海工混凝土表面防护中的应用。利用此方法制备得到的涂层材料应用在海工混凝土表面时，可以改善其耐久性。
本发明的目的在于提出了一种用于海工混凝土表面防护的新方法。该方法先通过选取环氧树脂材料以及片层状硅酸盐材料制备得到一种涂层材料，该涂层材料能够使得树脂材料有效渗透到混凝土内部，在阻隔侵蚀性介质的同时，与混凝土表面有良好的粘结性，片层状硅酸盐材料则在树脂材料渗透的过程铺展在混凝土的表面与其形成根植铺展的立体防护。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将渗透剂、硅烷偶联剂、表面活性剂、环氧树脂加入有机溶剂中，搅拌处理，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与层状硅酸盐材料混合，搅拌处理，接着进行超声处理，得到所述涂层材料。
进一步地，步骤(1)所述渗透剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种以上；
进一步地，步骤(1)所述硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570中的一种以上。
进一步地，步骤(1)所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂一种以上。
优选地，所述阴离子表面活性剂为脂肪酸钠或烷基硫酸钠中的一种以上；
优选地，所述阳离子表面活性剂为烷基三甲基氯化铵、烷基二甲基苄基氯化铵中的一种以上；
优选地，所述非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚的一种以上。
进一步地，步骤(1)所述有机材料为环氧树脂；
进一步地，步骤(1)所述有机溶剂为丙酮、甲基异丁基酮、二甲基丙酮、二丙酮醇中的一种以上。所述有机溶剂可以降低体系的粘度，增强其可加工性。
进一步地，步骤(1)所述搅拌处理的转速为200-1000r/min，搅拌处理的时间为15-20分钟。
进一步地，步骤(2)所述无机材料为片层状材料；所述无机材料为云母、高岭土、蒙脱土中的一种；
优选地，所述层状硅酸盐材料经过煅烧、球磨、酸活化中方法中一种或多种处理，以得到具有高比表面积的薄片层状硅酸盐材料。
进一步优选地，所述煅烧的温度600-800℃，煅烧的时间为24-48h。
进一步优选地，所述球磨的速率为500-3000r/min，球磨的时间为3-9h。
进一步优选地，所述酸活化中使用的酸性溶液浓度为2.5-5mol/L，所述酸性溶液为盐酸溶液，酸活化的时间为5-9h。
进一步地，所述层状硅酸盐材料的平均厚度为50-500nm，无机材料的比表面积为40-100m2/g。
进一步地，步骤(2)所述搅拌处理的转速为500-1000r/min，搅拌处理的时间为15-20分钟；
进一步地，步骤(2)所述超声处理的功率为200-800W，超声处理的时间为5-15分钟。
进一步地，按照质量份数计，
树脂材料20-80份；
有机溶剂10-30份；
片层状硅酸盐材料3-10份；
表面活性剂1-5份；
硅烷偶联剂1-5份；
渗透剂1-5份。
本发明提供一种由上述的制备方法制得的涂层材料。
本发明提供的涂层材料能够在混凝土表面防护中的应用。该应用方法包括：将所述用于海工混凝土表面防护的涂层材料涂覆在混凝土表面，以形成根植铺展的立体防护结构。
本发明提供的涂层材料应用在海工混凝土表面时可以改善其耐久性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的涂层材料的制备方法，选用片层状硅酸盐材料，通过化学或者物理的处理提高其比表面积，降低其厚度再将其与高渗透性的有机材料进行复合，形成一种用于混凝土工程表面防护稳定防护的涂层材料产品；
(2)本发明提供的用于海工混凝土表面防护的涂层材料中，有机材料具有高渗透性能够渗透到混凝土内部，在混凝土表面形成根植的效果，无机材料能够在有机材料中稳定分散，同时在有机材料渗透的过程中能够铺展堆叠形成一种立体式防护结构。
附图说明
图1为实施例1涂层材料涂附混凝土后的侧截面电镜扫描图和显微图；
图2为实施例2涂层材料涂附混凝土后的侧截面电镜扫描图和显微图；
图3为实施例3涂层材料涂附混凝土后的侧截面电镜扫描图和显微图；
图4为实施例4涂层材料涂附混凝土后的侧截面电镜扫描图和显微图；
图5为对比例1传统环氧材料涂附混凝土后的侧截面电镜扫描图和显微图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
以下实施例及对比例所用到的重量(质量)份数，作为举例，重量单位可以为克、千克等，也可以是本领域常用的任意其他用量。
实施例1
一种涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将5份二乙烯三胺(渗透剂)、4份KH550(硅烷偶联剂)、1份烷基三甲基氯化铵(表面活性剂)、70份环氧树脂加入20份二甲基丙酮(有机溶剂)中，搅拌处理，搅拌转速为100r/min，搅拌时间为5min，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与3份薄片层状娟云母片混合，搅拌处理(转速为500r/min，时间为15分钟)，接着进行超声处理(功率为400W，时间为5分钟)，得到所述涂层材料。
步骤(2)中所述薄片层状娟云母片的制备，包括：
将娟云母升温进行煅烧处理(温度为600℃，时间为24h)，然后进行球磨处理，球磨处理的转速为2000r/min，球磨处理的时间为7h，得到所述薄片层状娟云母。制备的薄片层状娟云母的平均厚度为200nm，比表面积为37m2/g。
将实施例1制备的涂层材料涂覆在海工混凝土上，涂覆量为0.6kg/m2，在10d后得到涂层混凝土，然后观测所述涂层混凝土的微观结构，并测量涂层材料在混凝土中的渗透深度。
实施例2
一种涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将5份二乙烯三胺(渗透剂)、2份KH550(硅烷偶联剂)、3份烷基三甲基氯化铵(表面活性剂)、80份环氧树脂加入10份丙酮(有机溶剂)中，搅拌处理(转速为500r/min，时间为20min)，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与5份的薄片层高岭土混合，搅拌处理，转速为1000r/min，时间为15分钟，接着进行超声处理，功率为200W，时间为10分钟)，得到所述涂层材料。
步骤(2)中所述薄片层状高岭土的制备，包括：
将高岭土加入盐酸溶液(浓度为2.5mol/L)中，分散均匀得到混合液，在所述混合液中，高岭土的浓度为0.1g/mL，进行酸化处理，酸化处理的时间为5h，过滤取沉淀，洗涤，然后干燥，得到酸化后的无机高岭土，接着将所述酸化后的无机高岭土进行球磨处理，球磨处理的转速为600r/min，球磨处理的时间为3h，得到所述薄片层状高岭土。制备的薄片层状高岭土的平均厚度为50nm，比表面积为47m2/g。
将实施例2制备的涂层材料涂覆在海工混凝土上，涂覆量为0.6kg/m2，在10d后得到涂层混凝土，然后观测所述涂层混凝土的微观结构，并测量涂层材料在混凝土中的渗透深度。
实施例3
一种涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将3份二乙烯三胺(渗透剂)、5份KH560(硅烷偶联剂)、2份烷基三甲基氯化铵(表面活性剂)、80份环氧树脂加入10份二甲基丙酮(有机溶剂)中，搅拌处理，转速为200r/min，时间为10min，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与2.5份的薄片层状娟云母片混合，搅拌处理(转速为500r/min，时间为15分钟)，接着进行超声处理，功率为400W，时间为5分钟，得到所述用于海工混凝土表面防护的涂层材料。
步骤(2)中所述薄片层娟云母片的制备，包括：
将娟云母升温进行煅烧处理，温度为700℃，时间为24h，然后进行球磨处理，球磨处理的转速为1000r/min，球磨处理的时间为5h，得到所述薄片层状娟云母。制备的薄片层状娟云母的平均厚度为300nm，比表面积为45m2/g。
将实施例3制备的涂层材料涂覆在海工混凝土上，涂覆量为0.6kg/m2，在10d后得到涂层混凝土，然后观测所述涂层混凝土的微观结构，并测量涂层材料在混凝土中的渗透深度。
实施例4
一种涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将4份二乙烯三胺(渗透剂)、4份KH570(硅烷偶联剂)、2份烷基三甲基氯化铵(表面活性剂)、75份环氧树脂加入到15份丙酮(有机溶剂)中，搅拌处理(转速为100r/min，时间为5min)，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与1.5份的薄片层状高岭土混合，搅拌处理(转速为500r/min，时间为15分钟)，接着进行超声处理(功率为400W，时间为5分钟)，得到所述涂层材料。
步骤(2)中所述薄片层状高岭土的制备，包括：
将高岭土加入盐酸溶液(浓度为5mol/L)中，分散均匀得到混合液，在所述混合液中，高岭土的浓度为0.15g/mL，进行酸化处理，酸化处理的时间为6h，过滤取沉淀，洗涤，然后干燥，得到酸化后的无机高岭土，接着将所述酸化后的无机高岭土进行球磨处理，球磨处理的转速为1000r/min，球磨处理的时间为4h，得到所述薄片层状高岭土。制备的薄片层状高岭土的平均厚度为35nm，比表面积为53m2/g。
将实施例4制备的涂层材料涂覆在海工混凝土上，涂覆量为0.6kg/m2，在10d后得到涂层混凝土，然后观测所述涂层混凝土的微观结构，并测量涂层材料在混凝土中的渗透深度。
对比例1
将传统环氧树脂防腐涂层材料涂覆在在海工混凝土上，涂覆量为0.6kg/m2，在10d后得到涂层混凝土，然后观测涂层混凝土微观结构，并测量涂层材料在混凝土中的渗透深度。
效果分析
下表1为对比例1中的传统环氧树脂防腐涂层材料、实施例1-4制备涂层材料的渗透深度统计数据表。由表1可以看出实例1-4的涂层材料渗透深度有明显提高，这使得涂层材料与混凝土结构的粘结性能更强，耐久性能也能有所提升。
表1
项目 渗透深度/mm
对比例1 0.235
实施例1 2.232
实施例2 2.377
实施例3 2.066
实施例4 2.003
图1为实施例1制备的涂层混凝土的侧截面电镜扫描图和显微图；图2为实施例2制备的涂层混凝土的侧截面电镜扫描图和显微图；图3为实施例3制备的涂层混凝土的侧截面电镜扫描图和显微图；图4为实施例4制备的涂层混凝土的侧截面电镜扫描图和显微图。图5为对比例1制备的涂层混凝土的侧截面电镜扫描图和显微图。
由图1-图4可知，看出本发明实施例制备的涂层材料渗透到混凝土内部；结合图5可知，对比例提供的传统环氧树脂防腐涂层材料很难渗透到混凝土的内部，而本发明实施例制备的涂层材料中的有机材料能够渗透到混凝土内部，在混凝土表面形成根植的效果，而无机材料能够在有机材料中稳定分散，同时在有机材料渗透的过程中能够铺展堆叠形成一种立体式防护结构。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将渗透剂、硅烷偶联剂、表面活性剂、树脂材料加入有机溶剂中，搅拌处理，得到混合液；
(2)将步骤(1)所述混合液与片层状硅酸盐材料混合，搅拌处理，接着进行超声处理，得到所述涂层材料。
2.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述渗透剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种以上；步骤(1)所述硅烷偶联剂为KH550、KH560、KH570中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂一种以上。
4.根据权利要求3所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为脂肪酸钠或烷基硫酸钠中的一种以上；所述阳离子表面活性剂为烷基三甲基氯化铵、烷基二甲基苄基氯化铵中的一种以上；所述非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚的一种以上。
5.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述树脂材料为环氧树脂；步骤(1)所述有机溶剂为丙酮、甲基异丁基酮、二甲基丙酮、二丙酮醇中的一种以上；步骤(1)所述搅拌处理的转速为200-1000r/min，搅拌处理的时间为15-20分钟。
6.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述片层状硅酸盐材料为云母、高岭土、蒙脱土中的一种；所述片层状硅酸盐材料的厚度50-500nm，比表面积为40-100m2/g。
7.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述搅拌处理的转速为500-1000r/min，搅拌处理的时间为15-20分钟；步骤(2)所述超声处理的功率为200-800W，超声处理的时间为5-15分钟。
8.根据权利要求1所述的涂层材料的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，
树脂材料20-80份；
片层状硅酸盐材料3-10份；
表面活性剂1-5份；
硅烷偶联剂1-5份；
渗透剂1-5份。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的涂层材料。
10.权利要求9所述的涂层材料在在海工混凝土表面防护中的应用。
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