CN115181440A - 一种长效无机防护涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土路桥工程防护技术领域，具体公开一种长效无机防护涂料及其制备方法和应用。所述长效无机防护涂料，按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：5％～15％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：10％～25％，苯丙乳液：5％～8％，体质填料：20％～30％，高钛粉：10％～20％，无机色浆：0.5％～5％，憎水剂：1％～5％，助剂：1％～5％，余量为第一去离子水。本申请通过添加硅烷改性的硅酸钾溶液和硅溶胶，其含有的活性硅羟基部分能够与混凝土中的硅羟基、钙离子生产化学键合，显著提高涂层与混凝土之间的附着力；涂层干燥后在混凝土表面形成网状半透性涂膜，防水透气，提高混凝土的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土路桥工程防护技术领域，特别涉及一种长效无机防护涂料及其制备方法和应用。
背景技术
混凝土是目前路桥建设中用量最大的结构材料，由于混凝土成型特性，结构中密布着极微小的裂缝和空隙，导致水汽、二氧化碳等腐蚀介质会通过这些通道渗入结构内部，引起混凝土中性化腐蚀，进而导致混凝土强度的显著下降。更甚着，若是化学性腐蚀介质进入路桥结构内部，还会引起钢筋锈蚀和结构膨胀、开裂等严重问题。因此，为了维持混凝土结构的稳定性，必须对混凝土进行防护。
为了防止混凝土不被外界腐蚀，通常是在混凝土表面涂刷上一道封闭的有机涂料如丙烯酸、聚氨酯等，通过隔离的手段使外界腐蚀性介质不能与混凝土接触，进而达到防止腐蚀的目的。但是通过跟踪发现，虽然有机涂料封闭性较好，在使用初期确实可以有效地起到防护作用，但是因为有机材料耐老化性较差，服役一段时间后就会出现粉化、开裂等问题，一但外界水分从破损处进入混凝土，在蒸气压作用下很容易以引起周边出现连片起泡、脱落的现象。目前，研究者主要通过采用耐老化性更好的材料来缓解此类问题，但由于有机材料本身机械强度普遍不高，在遭受外力时容易破坏，还是无法从根本上解决混凝土路桥防护涂层使用寿命短的问题。因此，亟需寻找一种用于混凝土结构的防护涂料，对提高混凝土结构的耐老化、耐腐蚀性以及提高涂层的使用寿命具有重要意义。
发明内容
针对现有混凝土表面涂层的机械强度差、耐老化性差等问题，本发明提供一种长效无机防护涂料。
以及，一种长效无机防护涂料的制备方法。
以及，一种长效无机防护涂料在混凝土路桥防护领域中的应用。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种长效无机防护涂料，按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：5％～15％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：10％～25％，苯丙乳液：5％～8％，体质填料：20％～30％，高钛粉：10％～20％，无机色浆：0.5％～5％，憎水剂：1％～5％，助剂：1％～5％，余量为第一去离子水。
相对于现有技术，本申请提供的长效无机防护涂料具有以下优势：
本申请通过添加硅烷改性的硅酸钾溶液和硅溶胶，其含有的活性硅羟基部分能够与混凝土中的硅羟基、钙离子生产化学键合，显著提高涂层与混凝土之间的附着力；同时，涂层干燥后在混凝土表面形成-Si-O-Si-结构的网状半透性涂膜，防水透气，既可以防止外界水分渗进到结构内部，又能让结构内部的水汽排放出去，使得混凝土结构长期维持干燥环境，有效抑制混凝土中性化腐蚀进程进而提高混凝土涂层的使用寿命；此外，本申请提供的防护涂料中的主要成膜物质、体质填料等均属于无机产品，价格低廉，降低生产成本，更有利于推广和应用。
可选的，所述硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液的制备过程如下：
将硅酸钾溶液与第二去离子水混合均匀，再将正硅酸乙酯于10℃～30℃条件下滴加4h～6h，再保温反应1h～2h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液。
通过硅烷杂化改性，能抑制硅酸钾的活性，避免因硅酸钾较高的反应活性产生胶化现象，并能均匀分散在涂料中，进而提高涂料的均一性和长期稳定性。
可选的，所述硅烷杂化改性纳米硅溶胶的制备过程如下：
将硅溶胶与第三去离子水混合均匀，再将正硅酸乙酯于10℃～30℃条件下滴加4h～6h，再保温反应1h～2h，得硅烷杂化改性纳米硅溶胶。
硅溶胶通过上述杂化改性后，与硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液混合后既可以改善硅酸钾体系因存在的内聚力大易开裂掉粉的问题，又可以解决硅酸钾体系聚合度小，干燥慢，早期耐水性差的问题，提高涂膜的早期耐水性和抗裂性。
可选的，所述硅酸钾溶液、第二去离子水和正硅酸乙酯的质量比为70～90：10～30：1～3。
可选的，所述硅酸钾溶液的模数为3.0～4.0。
优选的硅酸钾溶液的模数，使得硅酸钾溶液中的硅酸根离子的聚合度、分子量和粘度适中，既能避免因粘度过大难以形成高固含量的溶液，进而导致产生开裂掉粉的问题，还能保证涂料的固化速度适中，并提高涂料的耐水性。
可选的，所述硅溶胶、第三去离子水和正硅酸乙酯的质量比为70～90：10～30：1～3。
可选的，所述纳米硅溶胶的固含量为25％～30％。
可选的，所述苯丙乳液为固含量为45％～50％的阴离子苯丙乳液。
优选的苯丙乳液与硅酸钾溶液、硅溶胶之间有优异的相容性，能提高涂层的成膜性、抗裂性、早期耐水性以及耐擦洗性能。
可选的，所述高钛粉的主要成分是金红石型钛白粉，具有优异的遮盖力和耐候性，且价格低廉，有利于降低涂料的生产成本。
可选的，所述体质填料为重钙、滑石粉、云母粉、硅微粉、高岭土或沉淀硫酸钡中的至少一种。
可选的，所述助剂包括质量比为0.2～0.5:0.3～0.6:0.15～0.3:0.3～0.6:0.4～1.0:0.1～0.2:0.2～0.5:0.05～0.2:0.2～0.5的增稠剂、稳定剂、金属离子络合剂、非离子型表面活性剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防沉剂和杀菌剂。
通过优选的助剂，可以提高涂料的粘度、分散性和稳定性，同时有效降低成膜物质的成膜温度，提高成膜效果。
可选的，所述增稠剂为羟乙基纤维素。
优选的增稠剂能够提高涂料的粘度、稳定性和粉料的悬浮性，进而提高乳液以及成膜物质对颜填料的包覆性能。
可选的，所述稳定剂为季铵盐类稳定剂。
优选的稳定剂能有效提高体系的贮存稳定。
可选的，所述金属离子络合剂为乙二胺四乙酸二钠盐。
优选的金属离子络合剂能够络合颜填料带入的少量多价金属离子，降低金属离子与硅酸钾、硅溶胶发生反应，从而避免涂料胶化的风险。
可选的，所述非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚。
通过优选的非离子表面活性剂，能够提高颜料填料的润湿性，促进颜填料的分散，从而得到均一稳定的体系。
可选的，所述分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂。
优选的分散剂对无机颜料具有优异的润湿分散性，能显著改善涂料的流动性和粉料的分散性。
可选的，所述消泡剂为矿物油类消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂。
优选的消泡剂具有更快的破泡效果，能有效改善体系的表面张力。
可选的，所述成膜助剂为醇酯十二。
优选的成膜助剂能有效降低乳液最低成膜温度，提高涂料的成膜效果。
可选的，所述防沉剂为硅酸镁锂。
优选的防沉剂在其解离在水相中形成“卡屋”结构，可以有效避免贮存过程中颜填料的沉淀。
可选的，所述杀菌剂为Kaysalor At 9097防霉防藻剂。
优选的杀菌剂可以有效提升体系的抗菌性能，延长保存期。
进一步的，本发明还提供上述长效无机防护涂料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将所述第一去离子水和助剂以400rpm～600rpm的转速搅拌10min～20min，得第一混合料；
将所述第一混合料、高钛粉和体质填料混合，以1500rpm～3000rpm的转速搅拌30min～60min，得第二混合料；
将所述第二混合料和苯丙乳液混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得第三混合料；
将所述第三混合料、硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液和硅烷杂化改性纳米硅溶胶混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得第四混合料；
将所述第四混合料、色浆和憎水剂混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得所述效无机防护涂料。
相对于现有技术，本发明提供的长效无机防护涂料的制备方法，具有以下优势：
本申请通过特定的搅拌速度以及搅拌时间使得各组分之间混合均匀，分散良好，形成稳定均一的防护涂料；同时本申请提供的制备方法操作简单，可靠可控，有利于进行工业化推广和应用。
进一步地，本申请还提供上述的长效无机防护涂料在混凝土路桥防护领域中的应用。
将上述制备的长效无机防护涂料涂装到混凝土路桥表面后，涂料能够渗入到混凝土内部，形成化学键合，显著增强涂层与混凝土结构之间的结合力，避免涂层脱落问题的发生；同时形成的涂层为半透性涂层，既可以防止外界水分渗进到结构内部，又能让结构内部的水汽排放出去，维持混凝土结构内部长期处于干燥环境，有效抑制混凝土中性化腐蚀进程，进而提高混凝土的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供一种长效无机防护涂料，按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：15％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：15％，苯丙乳液：5％，重钙粉：7％，滑石粉：8％，云母粉：5％，高钛粉：15％，无机色浆：0.5％，憎水剂：1％，增稠剂：0.2％，非离子表面活性剂：0.5％，分散剂：0.5％，稳定剂：0.5％，金属离子络合剂：0.2％，消泡剂：0.15％，防沉剂：0.1％，成膜助剂：0.5％，杀菌剂：0.5％，余量为第一去离子水。
上述增稠剂为信越化学的H15000羟乙基纤维素；稳定剂为上海澳润化工的CS-1；金属离子络合剂为EDTA-2钠盐；非离子表面活性剂为科宁公司的PE-100；分散剂为日本圣诺普科的聚羧酸钠盐型分散剂SN 5040；消泡剂为迪高水性消泡剂810；成膜助剂为醇酯十二；防沉剂为硅酸镁锂；杀菌剂为Kaysalor At 9097防霉防藻剂；上述苯丙乳液为衡水新光的苯丙乳液XG2000；上述高钛粉为上海凯茵化工的高钛灰。
上述硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液的制备过程如下：
将80份的模数为3.0的硅酸钾溶液与20份第二去离子水混合均匀，再将1.5份正硅酸乙酯于30℃条件下滴加6h，再保温反应1h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液。
上述硅烷杂化改性纳米硅溶胶的制备过程如下：
将90份固含量为30％的硅溶胶与10份第三去离子水混合均匀，再将1.5份正硅酸乙酯于30℃条件下滴加6h，再保温反应1h，得硅烷杂化改性纳米硅溶胶。
上述长效无机防护涂料的制备方法，包括以下步骤：
将所述第一去离子水和助剂以500rpm的转速搅拌15min，得第一混合料；
将所述第一混合料、高钛粉和体质填料混合，以2000rpm的转速搅拌45min，得第二混合料；
将所述第二混合料和苯丙乳液混合，以850rpm的转速搅拌12min，得第三混合料；
将所述第三混合料、硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液和硅烷杂化改性纳米硅溶胶混合，以750rpm的转速搅拌11min，得第四混合料；
将所述第四混合料、色浆和憎水剂混合，以800rpm的转速搅拌14min，得所述效无机防护涂料。
实施例2
本发明实施例提供一种长效无机防护涂料，按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：10％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：10％，苯丙乳液：7％，重钙粉：7％，滑石粉：8％，微硅粉：10％，高钛粉：20％，无机色浆：5％，憎水剂：5％，增稠剂：0.5％，非离子表面活性剂：0.3％，分散剂：0.5％，稳定剂：0.6％，金属离子络合剂：0.15％，消泡剂：0.1％，防沉剂：0.2％，成膜助剂：0.3％，杀菌剂：0.3％，余量为第一去离子水。
上述增稠剂为信越化学的H15000羟乙基纤维素；稳定剂为上海澳润化工的CS-1；金属离子络合剂为EDTA-2钠盐；非离子表面活性剂为科宁公司的PE-100；分散剂为日本圣诺普科的聚羧酸钠盐型分散剂SN 5040；消泡剂为迪高水性消泡剂810；成膜助剂为醇酯十二；防沉剂为硅酸镁锂；杀菌剂为Kaysalor At 9097防霉防藻剂；上述苯丙乳液为衡水新光的苯丙乳液XG2000；上述高钛粉为上海凯茵化工的高钛灰。
上述硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液的制备过程如下：
将70份模数为4.0的硅酸钾溶液与10份第二去离子水混合均匀，再将3份正硅酸乙酯于20℃条件下滴加5h，再保温反应1.5h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液。
上述硅烷杂化改性纳米硅溶胶的制备过程如下：
将80份固含量为25％的硅溶胶与25份第三去离子水混合均匀，再将2份正硅酸乙酯于20℃条件下滴加6h，再保温反应1.5h，得硅烷杂化改性纳米硅溶胶。
上述长效无机防护涂料的制备方法，包括以下步骤：
将所述第一去离子水和助剂以400rpm的转速搅拌20min，得第一混合料；
将所述第一混合料、高钛粉和体质填料混合，以1500rpm的转速搅拌60min，得第二混合料；
将所述第二混合料和苯丙乳液混合，以600rpm的转速搅拌15min，得第三混合料；
将所述第三混合料、硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液和硅烷杂化改性纳米硅溶胶混合，以600rpm的转速搅拌10min，得第四混合料；
将所述第四混合料、色浆和憎水剂混合，以600rpm的转速搅拌10min，得所述效无机防护涂料。
实施例3
本发明实施例提供一种长效无机防护涂料，按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：5％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：25％，苯丙乳液：8％，云母粉：10％，高岭土：10％，沉淀硫酸钡：10％，高钛粉：10％，无机色浆：1.5％，憎水剂：3％，增稠剂：0.3％，非离子表面活性剂：0.6％，分散剂：1％，稳定剂：0.3％，金属离子络合剂：0.3％，消泡剂：0.2％，防沉剂：0.05％，成膜助剂：0.2％，杀菌剂：0.5％，余量为第一去离子水。
上述增稠剂为信越化学的H15000羟乙基纤维素；稳定剂为上海澳润化工的CS-1；金属离子络合剂为EDTA-2钠盐；非离子表面活性剂为科宁公司的PE-100；分散剂为日本圣诺普科的聚羧酸钠盐型分散剂SN 5040；消泡剂为迪高水性消泡剂810；成膜助剂为醇酯十二；防沉剂为硅酸镁锂；杀菌剂为Kaysalor At 9097防霉防藻剂；上述苯丙乳液为衡水新光的苯丙乳液XG2000；上述高钛粉为上海凯茵化工的高钛灰。
上述硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液的制备过程如下：
将90份模数为3.5的硅酸钾溶液与30份第二去离子水混合均匀，再将1.5份正硅酸乙酯于10℃条件下滴加4.0h，再保温反应2.0h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液。
上述硅烷杂化改性纳米硅溶胶的制备过程如下：
将70份固含量为35％的硅溶胶与30份第三去离子水混合均匀，再将3份正硅酸乙酯于10℃条件下滴加4.0h，再保温反应2.0h，得硅烷杂化改性纳米硅溶胶。
上述长效无机防护涂料的制备方法，包括以下步骤：
将所述第一去离子水和助剂以600rpm的转速搅拌10min，得第一混合料；
将所述第一混合料、高钛粉和体质填料混合，以3000rpm的转速搅拌30min，得第二混合料；
将所述第二混合料和苯丙乳液混合，以1000rpm的转速搅拌10min，得第三混合料；
将所述第三混合料、硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液和硅烷杂化改性纳米硅溶胶混合，以1000rpm的转速搅拌10min，得第四混合料；
将所述第四混合料、色浆和憎水剂混合，以1000rpm的转速搅拌10min，得所述效无机防护涂料。
为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。
对比例1
本对比例提供一种长效无机防护涂料，与实施例1的区别在于：将硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液替换为硅烷杂化改性纳米硅酸钠溶液。
上述硅烷杂化改性纳米硅酸钠溶液的制备过程如下：
将80份的模数为3.0的硅酸钠溶液与20份第二去离子水混合均匀，再将1.5份正硅酸乙酯于30℃条件下滴加6h，再保温反应1h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钠溶液。
对比例2
本对比例提供一种长效无机防护涂料，与实施例1的区别在于：硅烷杂化改性硅酸钾溶液的添加量为4％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶的添加量为32％。
对比例3
本对比例提供一种长效无机防护涂料，与实施例1的区别在于：将高钛粉替换为金红石钛白粉。
为了更好的说明本发明实施例提供的长效无机防护涂料的特性，下面将实施例1～3以及对比例1～3制备的长效无机防护涂料涂料进行性能检测，检测结果如下表1所示。
表1
上述耐洗刷性、低温贮存稳定性、热贮存温定性、耐温变性、耐人工老化、耐玷污性的检测方法为：JG/T26-2002。
从表1中可以看出，本申请提供的长效无机防护涂料的耐擦洗性能达到6200次，低温储存和热贮存稳定性均无异常，耐沾污性小于20％，耐人工老化达到1800h，粉化≦1级，变色≦2级，完全符合标准要求。
与实施例1对比，对比例1中的采用改性硅溶钠代替改性硅酸钾，耐擦洗性和耐人工老化性能均明显降低，热储存过程中粘度变化较大；与实施例1对比，对比例2涂料中的增加了改变了硅酸钾溶液和硅溶胶的比例，其耐擦洗性能和耐老化性明显变差，耐温变测试时出现轻微开裂现象，同时耐沾污性也变差，由此可知，采用本申请提供特定的组分、特定的比例得到综合性能俱佳的长效无机防护涂料。
将本实施例1～3的数据与对比例3进行对比发现，本发明采用高钛灰代替金红石钛白粉制备混凝土路桥防护涂料，其效果与对比例3基本相当，由此说明本申请通过各组分之间的复配，实现了采用成本较低的高钛灰代替金红石钛白粉得到综合性能俱佳的防护涂料，显著降低生产成本，提高经济效益，更有利于推广和应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种长效无机防护涂料，其特征在于：按照质量百分比计，包括如下各组分：硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液：5％～15％，硅烷杂化改性纳米硅溶胶：10％～25％，苯丙乳液：5％～8％，体质填料：20％～30％，高钛粉：10％～20％，无机色浆：0.5％～5％，憎水剂：1％～5％，助剂：1％～5％，余量为第一去离子水。
2.如权利要求1所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液的制备过程如下：
将硅酸钾溶液与第二去离子水混合均匀，再将正硅酸乙酯于10℃～30℃条件下滴加4h～6h，再保温反应1h～2h，得硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液；
和/或，所述硅烷杂化改性纳米硅溶胶的制备过程如下：
将硅溶胶与第三去离子水混合均匀，再将正硅酸乙酯于10℃～30℃条件下滴加4h～6h，再保温反应1h～2h，得硅烷杂化改性纳米硅溶胶。
3.如权利要求2所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述硅酸钾溶液、第二去离子水和正硅酸乙酯的质量比为70～90：10～30：1～3；
和/或，所述硅酸钾溶液的模数为3.0～4.0。
4.如权利要求2所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述硅溶胶、第三去离子水和正硅酸乙酯的质量比为70～90：10～30：1～3；
和/或，所述纳米硅溶胶的固含量为25％～30％。
5.如权利要求1所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述苯丙乳液为固含量为45％～50％的阴离子苯丙乳液。
6.如权利要求1所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述体质填料为重钙、滑石粉、云母粉、硅微粉、高岭土或沉淀硫酸钡中的至少一种。
7.如权利要求1所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述助剂包括质量比为0.2～0.5:0.3～0.6:0.15～0.3:0.3～0.6:0.4～1.0:0.1～0.2:0.2～0.5:0.05～0.2:0.2～0.5的增稠剂、稳定剂、金属离子络合剂、非离子型表面活性剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防沉剂和杀菌剂。
8.如权利要求7所述的长效无机防护涂料，其特征在于：所述增稠剂为羟乙基纤维素；
和/或，所述稳定剂为季铵盐类稳定剂；
和/或，所述金属离子络合剂为乙二胺四乙酸二钠盐；
和/或，所述非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚；
和/或，所述分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂；
和/或，所述消泡剂为矿物油类消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂；
和/或，所述成膜助剂为醇酯十二；
和/或，所述防沉剂为硅酸镁锂；
和/或，所述杀菌剂为Kaysalor At 9097防霉防藻剂。
9.如权利要求1～8任一项所述的长效无机防护涂料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
将所述第一去离子水和助剂以400rpm～600rpm的转速搅拌10min～20min，得第一混合料；
将所述第一混合料、高钛粉和体质填料混合，以1500rpm～3000rpm的转速搅拌30min～60min，得第二混合料；
将所述第二混合料和苯丙乳液混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得第三混合料；
将所述第三混合料、硅烷杂化改性纳米硅酸钾溶液和硅烷杂化改性纳米硅溶胶混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得第四混合料；
将所述第四混合料、色浆和憎水剂混合，以600rpm～1000rpm的转速搅拌10min～15min，得所述效无机防护涂料。
10.如权利要求1～8任一项所述的长效无机防护涂料在混凝土路桥防护领域中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221014 |
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