CN114890710A

CN114890710A - 一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN114890710A
Application number: CN202210365567.3A
Authority: CN
Inventors: 张继; 杨辉; 曹旭丹
Original assignee: Hangzhou Geling New Material Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Geling New Material Technology Co ltd
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2042-04-07
Also published as: CN114890710B

Abstract

本发明涉及建材技术领域，旨在提供一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂及其制备方法。该硬化剂包括A组分溶液和B组分溶液，A组分溶液包括：正硅酸甲酯15～35％、四氯化锡(SnCl₄)20～35％，表面活性剂0.1～2％，余量为质量比1:1的乙醇与水的混合物；B组分溶液包括：硅酸盐5～20％、纳米Al₂O₃溶胶5～15％、表面活性剂0.1～2％、甲基硅酸钾0.1～5％，余量为质量比1:1的乙醇与水的混合物。本发明采用了甲基硅酸钾与SnCl₄溶液水解后分别生成的网络状SnO₂和SiO₂颗粒，在网络状结构条件，使得各粒子能自主优化匹配孔隙并形成牢固整体，以达到协调增强增硬的目的，同时，充分利用A、B组分间酸碱平衡反应、大小尺寸颗粒弥散增强等技术手段，以实现性能的长久提升。

Description

一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体的说，是一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂及其制备方法。

背景技术

针对当前基础设施中工业厂房、地下车库地坪表面出现的风化、起尘、起砂、起皮、硬度低等现象，造成耐磨性差，使用寿命短等问题，解决这类问题的主要方法为采用液体硬化剂材料对混凝土基材表面进行渗透增强。

目前，国内外市场上较为流行的硬化剂材料主要有以下几种：1、以有机硅醇(如CN110564196A、CN110527327A)、纳米二氧化硅溶胶(如CN201010543000.8)等为主要成分的硬化剂系列材料，内含大量硅氧键，能与混凝土反应生成能提高混凝土耐磨性能的水合硅酸钙(C-S-H)，能快速改善和提升混凝土硬度、耐磨性等性能；但其水溶性差，遇到潮湿地面易“发白或泛白”，使得最终效果不美观；2、以硅酸盐类为主要活性产品，这类硬化剂能有效提高混凝土的耐磨度、光泽度等性能，且能有限避免前期产品出现的泛白的通病；如CN200910055825和CN201110083155.2等公开了皆以锂基盐为主要成分，与混凝土发生反应后起增强作用，再引入其他添加剂来增加混凝土的密实度、光泽度等性能；但其有效成分含量较低，固含量低，单次施工所带来的混凝土性能提升少，且所做产品的光泽耐久性及耐候性差，较短时间内耐磨性、光泽等性能减退明显。

随着目前国内工业厂房、车库地坪的业主单位对地面的硬度、光泽等的耐久性越来越高，从而要求渗透硬化剂类产品具备较好的稳定性、时效性及快速增硬等性能，因此，开发出一款既能快速提高混凝土类基材各项综合性能的同时，又能满足其耐久性需求的地坪已成为当下该领域各研发人员研究的方向之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足，提供一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂及其制备方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

本发明提供一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，该硬化剂包括A组分溶液和B组分溶液，两组分溶液中的各成分在硬化剂总质量中的百分占比分别为：

A组分溶液：正硅酸甲酯15～35％、四氯化锡(SnCl₄)20～35％，表面活性剂0.1～2％，余量为质量比1:1的乙醇与水的混合物；

B组分溶液：硅酸盐5～20％、纳米Al₂O₃溶胶5～15％、表面活性剂0.1～2％、甲基硅酸钾0.1～5％，余量为质量比1:1的乙醇与水的混合物。

作为本发明的优选方案，所述表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)、聚乙二醇2000(PEG 2000)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种。

作为本发明的优选方案，所述硅酸盐是硅酸锂、硅酸钾、硅酸钠中的至少一种。

作为本发明的优选方案，所述纳米Al₂O₃溶胶，固含量25％，粒径5～20nm。

本发明还提供了前述高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温下将浓度为0.5mol/L的SnCl₄溶液加入乙醇和蒸馏水的混合液中溶解均匀；在充分搅拌条件下，将正硅酸甲酯溶液加到上述溶液中，并在水浴中加热至20～80℃；随后加入表面活性剂，再以400转/分钟的速度搅拌30～120min，得到呈混合溶液状态的A组分；

(2)在充分搅拌条件下，将硅酸盐溶液加入乙醇和蒸馏水的混合液中，以300转/分钟的速度继续搅拌15min；然后加入纳米Al₂O₃溶胶并持续搅拌30min，在持续搅拌的条件下依次加入表面活性剂、甲基硅酸钾溶液，继续搅拌30～80min后，得到呈混合溶液状态的B组分；

在步骤(1)和(2)中，控制各成分的加入量，使两组分溶液中的各成分及其质量百分比满足所述要求。

本发明还提供了前述高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的使用方法，包括以下步骤：

(1)采用地坪研磨设备对混凝土类基材地面表层进行研磨处理，清水冲洗后充分晾干；

(2)将A组分溶液喷涂或滚涂至地面上，用拖布来回涂布均匀，以表面有少量集料作为用量适当的判断依据；

(3)待A组分溶液渗透并与基材充分反应完成1h后，将B组分溶液均匀地喷涂至地面上，并在30min内保持充分湿润，反应2～24h；

(4)采用研磨设备以0.1～1min/m的推进速度，对已喷涂过B组分溶液的地面进行研磨至1000目，清水冲洗后晾干。

作为本发明的优选方案，所述地坪研磨设备是圆盘式、行星式或齿轮式的研磨机，配置两相电或三相驱动电机；所用的磨片是金刚片、铁片、树脂片或陶瓷片，磨片的目数为30、80、150、300、500、800、1000或2000目；在施工时，任选上述磨片中的一种或几种的组合；研磨机在进行研磨时的行进方式为横、竖各一遍至数遍，保持走速均匀。

作为本发明的优选方案，所述A组份溶液的用量为0.05～0.45kg/m²，B组份溶液用量为0.1～0.5kg/m²。

作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中，保持充分湿润是指以喷涂或滚涂方式持续补充适量的B组分溶液至基面。

发明原理描述：

本发明高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的增强效果主要通过以下几种方式实现：

1、A组分溶液中：一方面，四氯化锡(SnCl₄)经水解后在氨水的调节下形成纳米颗粒状SnO₂溶胶，并与表面活性剂共同的作用下，渗入到混凝土毛细孔内部，以细小颗粒物增强相的方式填补混凝土中较大孔隙，增强密实度；另一方面，甲基硅酸钾溶液利用酸性条件下缓慢水解生成网络状大分子结构的硅酸溶液，即SnO₂颗粒与生成的网络结构大分子SiO₂共同渗透填充密实基材孔隙，并在基材中形成网络状“骨架”结构，协同增强增硬表面硬度等性能。此反应为整个体系增强过程中最重要的步骤，亦为增加混凝土耐磨性的最主要反应之一；

2、B组分溶液中的硅酸盐溶液自身与混凝土中的水化产物及未水化的水泥发生反应，生成网络状交联结构的SiO₂大分子，填充混凝土中孔洞使其进一步密实，再者，纳米Al₂O₃溶胶因其为尺寸极细小纳米颗粒，在硅烷偶联剂的作用下，与硅酸盐溶液的反应产物SiO2形成大小颗粒协同弥散填充密实，进一步密封A组分溶液中留下的微细小孔隙等，增强增硬其表面；此外，B组分溶液整体为碱性，能有效中和A组分溶液中氢离子，使得混凝土类基材保持在整体偏中性环境中，有效降低“碱骨料”反应的危害，有利于地坪表面性能的持久性及整体结构的稳固，

3、高速研磨的过程中可使施工范围内地表温度达60～70°及以上，在此温度范围内有利于促进A、B组分溶液中的SiO₂、SnO₂和Al₂O₃颗粒间形成空间网络状结构填充密实混凝土基材孔隙，硅锡铝弥散协同增强，并使地坪表面形成一个近似封闭的整体；

因此，本发明能通过上述三种方式共同作用后增强混凝土，并同时完成表面装饰。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用了甲基硅酸钾与SnCl₄溶液水解后分别生成的网络状SnO₂和SiO₂颗粒，充分利用了甲基硅酸钾的反应条件及有益效果，尤其是在网络状结构条件下，使得各粒子能自主优化匹配孔隙并形成牢固整体，以达到协调增强增硬的目的，同时，充分利用A、B组分间酸碱平衡反应、大小尺寸颗粒弥散增强等技术手段，以实现性能的长久提升。

(2)本发明中能用于制备完整致密且降低碱骨料反应风险的地坪，且采用了双组份设计，能够通过实验进程控制颗粒粒径大小尺寸，交错填充密实更牢固，使得所制备的地坪在有水或其他条件保持同等的耐磨性，解决了不同人群对地坪多样性及耐久性需求的问题。

(3)本发明中的材料为环保性材料，且施工简便，可直接大面积滚涂或喷涂至混凝土表面进行施工，经处理后的混凝土地面具有高硬度、高耐磨性、高光泽等特性，且光泽越用越持久。

(4)本发明是高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂新型产品，其制备工艺简单，反应过程容易控制、反应条件温和、反应中亦无挥发性有毒气体，对环境无污染，且原料简单，成本低，施工方便，特别适合大面积工业化生产施工。

具体实施方式

本发明提供了一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，包括A组分溶液和B组分溶液，其成分及各成分在两组分溶液总质量中的百分占比分别为：

A组分溶液：正硅酸甲酯15～35％、四氯化锡(SnCl₄)20～35％，表面活性剂0.1～2％，余量为乙醇与水的混合物(两者质量比1:1)；

B组分溶液：硅酸盐5～20％、纳米Al₂O₃溶胶5～15％、表面活性剂0.1～2％、甲基硅酸钾0.1～5％，余量为乙醇与水的混合物(两者质量比1:1)；

高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温下将浓度为0.5mol/L的SnCl₄溶液加入蒸馏水和乙醇的混合溶液中溶解均匀，在充分搅拌条件下，将正硅酸甲酯溶液缓慢加到上述溶液中，并水浴加热至20～80℃，然后以400转/分钟的速度搅拌30～120min，得到呈混合溶液状态的A组分；

(2)在充分搅拌条件下，将硅酸盐溶液加入蒸馏水和乙醇的混合溶液中，以300转/分钟的速度继续搅拌15min；然后加入纳米Al₂O₃溶胶并持续搅拌30min，在持续搅拌的条件下依次加入表面活性剂、甲基硅酸钾溶液，继续搅拌30～80min后，得到呈混合溶液状态的B组分；

在步骤(1)和(2)中，控制各成分的加入量，使各组分的成分及其质量百分比满足权利要求1所述要求。

高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的使用方法，包括以下步骤：

(3)待A组分溶液渗透并与基材充分反应完成1h后，将B组分溶液均匀地喷涂至地面上，并在30min内保持充分湿润，反应2～24h及以上；

然后采用研磨设备以0.1～1min/m的推进速度，对已喷涂过B组分溶液的地面进行研磨至1000目，清水冲洗后晾干。

各实施例中的试验数据见下表1：

对比例1：

参照CN201811639689.7专利的记载，制备硬化剂产品作为对比例1。

对比例2：

参照CN201510849050.1专利的记载，制备硬化剂产品作为对比例2。

对比例3：

以市售锂基-20型号的商品硬化剂作为对比例3，其组分及比例为硅酸锂：水：助剂＝28：67：5。

对比例4：

以市售氟硅酸盐C-700型号的商品硬化剂作为对比例3，其组分及比例为氟硅酸盐：水：助剂＝18：71：11。

原地面、经本发明处理后地面、现有技术处理后地面的主要技术参数如表2所示；所述现有技术是指中国发明专利申请CN201811639689.7、CN201510849050.1等所使用的以硅酸钠、硅酸钾、氟硅酸盐等为组成的硬化剂材料。

表2性能对照表

从表2中的数据对比情况可以看出，经本发明处理后的地面在莫氏硬度、耐磨度及光泽度上都高于现有技术组成的硬化剂材料处理后的参数，相比未经处理的原地面而言有较大的提升。

本发明采用了双组份的设计，一方面通过控制反应先后顺序，调整了纳米二氧化硅颗粒、二氧化锡颗粒粒径的大小比例与数量，使其网络状“骨架”结构，使其在使用时能交错分布在混凝土地面中的孔隙里，充分填充并密实孔洞，弥散协同填充增强，从而使原有基面更加密实，硬度及耐磨性逐步提升。另一方面，反应中充分利用反应进程控制A、B组分之间反应，调节混凝土类基材表面的PH环境，使得细小纳米氧化铝等颗粒能进一步填充小空隙等，同时减少碱骨料反应，使得混凝土的性能在短时间内显著提高，最终经研磨后表面光泽度明显提升。第三，利用化学反应生成的纳米二氧化硅溶胶及反应生成的二氧化锡粒径差异分布特点及错位时效反应的功能，使其能更好地填充混凝土中的不同粒径大小的孔洞并形成致密的整体，同时与B组分中纳米氧化铝在研磨设备作用下形成“硅锡铝”复合材料结构弥散协同增强混凝土表层硬度、耐磨性等，使得整体性能提升。

综上，本发明的技术优势明显优于不使用硬化剂处理的情况，也优于现有技术中使用增强地面硬度、耐磨性的性能。

Claims

1.一种高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，其特征在于，该硬化剂包括A组分溶液和B组分溶液，两组分溶液中的各成分在硬化剂总质量中的百分占比分别为：

A组分溶液：正硅酸甲酯15～35％、四氯化锡20～35％，表面活性剂0.1～2％，余量为质量比1:1的乙醇与水的混合物；

2.根据权利要求1所述的高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，其特征在于，所述表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇2000或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，其特征在于，所述硅酸盐是硅酸锂、硅酸钾、硅酸钠中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂，其特征在于，所述纳米Al₂O₃溶胶的固含量25％，粒径5～20nm。

5.权利要求1所述的高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.权利要求1所述高性能超硬纳米硅锡铝复合硬化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述地坪研磨设备是圆盘式、行星式或齿轮式的研磨机，配置两相电或三相驱动电机；所用的磨片是金刚片、铁片、树脂片或陶瓷片，磨片的目数为30、80、150、300、500、800、1000或2000目；在施工时，任选上述磨片中的一种或几种的组合；研磨机在进行研磨时的行进方式为横、竖各一遍至数遍，保持走速均匀。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述A组份溶液的用量为0.05～0.45kg/m²，B组份溶液用量为0.1～0.5kg/m²。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，保持充分湿润是指以喷涂或滚涂方式持续补充适量的B组分溶液至基面。