CN115677276A - 一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料及其制备方法，该水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料包括以下质量份原料聚合反应而成：木质素填料0.05‑5份、水性涂料体系(以固含量计)10‑35份、氧化锌0.5‑2份、水泥100‑300份、水35‑80份。该水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料制备工艺简单、成本低廉，相对于现有技术可以有效降低混凝土防护涂层的成本，并且具有优异的疏水、防氯性能，可显著提高严酷环境下水泥基材料的耐久性和结构的安全性。

Description

一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层及其制备方法，属于土木工程材料防护技术领域。

背景技术

涂层可以有效抵抗侵蚀性离子、水分、CO₂的侵入，提高水泥基材料的耐久性和稳定性。然而有机防护涂层容易老化、剥落，且成本较高，不适合严酷环境复杂条件下混凝土结构的防护，如何提高混凝土涂层在严酷服役环境下的防护性能和工作性能仍值得当下学者进一步探究。

对涂层的改性有以下几种方法：接枝改性、复掺改性、有机无机交联改性、填料改性等。填料改性是目前研究较热门的方向。木质素是一种天然可再生材料，其含量仅次于纤维素，但由于其化学反应低、结构复杂，应用率较低，尤其是在商业造纸生产过程中，大量被废弃。因此学者们近年来对于木质素进行了大量改性研究，提高其利用率。木质素的芳香骨架和多羟基结构赋予其优异的分散性、反应性和紫外线阻隔性，是制备涂层改性填料材料的优选。将木质素进行适当改性加入涂层中，可以有效提高涂层材料的防护性能和工作性能。

水性涂料由于以水为溶剂，与混凝土界面粘结性能较好，且交联度高，可以有效提高防护结构体系交联程度；无机胶凝材料成本低廉，并与水泥基界面相容性高，将两者互相结合可以发挥优势，提高其复合体系与水泥基材料的界面粘结，并且赋予涂层更好的防护性能。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，本发明的第二目的是提供的一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层的制备方法。

技术方案：本发明所述一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，所述水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料包括以下原料聚合反应制得(按质量计)：木质素填料0.05-5份、水性涂料体系10-35份、氧化锌0.5-2份、水泥100-300份、水35-80份。

优选地，所述木质素为高纯木质素、磺酸盐木质素、硫酸盐木质素、碱木质素、酸木质素中的一种或几种。

优选地，所述水性涂料体系为水性环氧涂料、水性聚氨酯、水性丙烯酸、水性聚脲中的一种或几种。

优选地，所述水性涂料体系的用量是以固含量计10-35份。

本发明所述的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木质素、氧化锌加入水性涂料体系中，搅拌混合，得到混合溶液；

(2)将水和水泥搅拌混合，加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应，得到混合浆体；

(3)将混合浆体涂覆在已成型固化的水泥基材料试块表面，经过自然风干或养护风干，即可获得抗氯疏水防护涂层。

优选地，步骤(1)中，所述木质素与水性涂料(以固含量计)的质量比为1:7-700。

优选地，步骤(1)中，所述氧化锌与水性涂料(以固含量计)的质量比为为1:5-70。

优选地，步骤(1)中，所述搅拌混合的时间为0.05-1.0h。

优选地，步骤(2)中，所述水泥与水的质量比为1:0.35-2。

优选地，步骤(2)中，所述搅拌混合反应的时间为2-10min。

优选地，步骤(3)中，所述水泥基材料试块为混凝土试块、砂浆试块或净浆试块。

优选地，步骤(3)中，所述自然风干或养护风干的时间为24h以上。

优选地，步骤(3)中，所述抗氯疏水防护涂层的厚度小于1mm。

本发明所述的抗氯疏水防护涂层由水性有机涂料乳液形成的聚合物网状结构能够很好的与无机胶凝材料(水泥、水泥水化产物)等进行交联，形成紧密的有机无机互穿网络结构，从而得到具有优异疏水性能和防护性能的涂层结构，另外氧化锌作为补强填料的加入可以使涂层具有良好的工作性能和力学性能，并且可以填充无机胶凝材料水化过程中留下的孔隙，从而提高涂层的密实性，另外木质素的羟基、羧基官能团可以与水性涂料中的有机官能团和无机胶凝材料中的钙离子通过氢键相互作用，加强连接作用。该体系的共同作用使此方法制备的涂层更致密，降低水的渗透性，提高了涂层的防护性能。

技术效果：相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明提供的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料具有低廉的成本，且结合了无机胶凝材料的防渗透能力和有机水性涂料的聚合物防护网络，提高了涂层体系的防护效果。

(2)本发明提供的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料提高了水泥基材料表面的超疏水性，从而可以抵抗溶于水的侵蚀性离子的侵入，达到保护水泥基材料耐久性的作用。

(3)本发明提供的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料的制备工艺简单，原料可再生易得，利于混凝土生产企业在当前阶段去产能、产品升级转型，实现可循环经济和可持续发展。

附图说明

图1为实施例1-5及对比例1-3的砂浆试块表面静态接触角图；

图2为实施例1-5及对比例1-3的砂浆试块抵抗氯离子能力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

以下实施例和对比例中木质素选自高纯木质素、磺酸盐木质素、硫酸盐木质素、碱木质素、酸木质素中的一种或几种；水性涂料体系选自水性环氧、水性聚氨酯、水性丙烯酸、水性聚脲中的一种或几种；氧化锌选用市售分析纯氧化锌；无机胶凝材料选自市售小野田PⅡ52.5水泥。其中涂覆基体选用砂浆试块，水泥选用市售小野田PⅡ52.5水泥，细集料选用市售标准砂，按照水胶比0.35，砂胶比为3:1进行砂浆试块的成型，固化后待用，用于接触角测试的砂浆试块尺寸为20mm*20mm*20mm的立方体，用于RCM测试的砂浆试块的尺寸为直径100mm、高50mm的圆柱。

实施例1

(1)将2g高纯木质素、1g氧化锌加入10g水性聚氨酯中，搅拌混合5min，得到混合溶液；

(2)将50g水和80g水泥进行搅拌，并加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应2min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过养护风干24h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

将本实施例砂浆试块表面疏水性能用静态接触角进行测试表征，结果如图1所示。

将本实施例砂浆试块涂层抵抗侵蚀性离子能力测试按照GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，用快速氯离子迁移系数法(RCM法)测试表征，结果如图2所示。

实施例2

(1)将5g磺酸盐木质素、2g氧化锌加入20g水性环氧中，搅拌混合10min，得到混合溶液；

(2)将100g水和150g水泥进行搅拌，并加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应10min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过自然风干24h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本实施例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本实施例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

实施例3

(1)将2g高纯木质素、4g硫酸盐木质素、1.5g氧化锌加入30g水性聚脲中，搅拌混合10min，得到混合溶液；

(2)将100g水和100g水泥进行搅拌5min，混合均匀，并加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应2min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过养护风干48h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本实施例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本实施例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

实施例4

(1)将4g硫酸盐木质素、0.6g氧化锌加入20g水性聚氨酯中，搅拌混合10min，得到混合溶液；

(2)将75g水和100g水泥进行搅拌4min，混合均匀，并加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应5min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过自然风干48h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本实施例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本实施例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

实施例5

(1)将6g碱木质素、2g氧化锌加入20g水性丙烯酸中，搅拌混合10min，得到混合溶液；

(2)将100g水和100g水泥进行搅拌5min，混合均匀，并加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应6min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过养护风干72h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本实施例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本实施例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

对比例1

砂浆试块的制备同实施例1，不做任何涂层涂覆处理，正常养护的相同配比的砂浆试块同实施例1，涂层厚度为200um。

本对比例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本对比例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

对比例2

砂浆试块的制备同实施例1，涂层涂覆处理，正常养护的相同配比的砂浆试块，其中，涂层制备过程中不加入氧化锌。

(1)将2g高纯木质素加入10g水性聚氨酯中，搅拌混合5min，得到混合溶液；

(2)将50g水和80g水泥进行搅拌，并加入步骤(1)所述的混合溶液，混合均匀2min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过自然风干72h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本对比例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

对比例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

对比例3

砂浆试块的制备同实施例1，涂层涂覆处理，正常养护的相同配比的砂浆试块，其中，涂层制备过程中不加入高纯木质素。

(1)将2g氧化锌加入10g水性聚氨酯中，搅拌混合5min，得到混合溶液；

(2)将50g水和80g水泥进行搅拌，并加入步骤(1)所述的混合溶液，混合均匀2min，得到混合浆体；

(3)用漆膜涂布器将混合浆体均匀涂覆在已成型固化的砂浆试块表面，经过自然风干72h后即可获得抗氯疏水防护涂层，涂层厚度为200um。

本对比例疏水性能用静态接触角测试表征同实施例1，结果如图1所示。

本对比例抵抗侵蚀性离子能力测试表征同实施例1，结果如图2所示。

图1为实施例1-5及对比例1-3的砂浆试块表面静态接触角图，其中a为对比例1、b为实施例1、c为实施例2、d为实施例3，e为实施例4，f为实施例5，g为对比例2，h为对比例3。由图1可以看出，对比例1中未涂覆本发明所述疏水防护涂层的砂浆试块表面亲水性很好，水滴滴在表面，可以迅速浸润表面，而实施例1-5涂覆在砂浆试块表面后，其表面接触角均为120°以上。均大于对比例2、对比例3的表面接触角。这是由于一方面漆膜涂布器的应用使得所制备的涂层具有微纳级别的粗糙结构，因此提高了涂层材料成膜后的粗糙度，另一方面，木质素与水性有机涂料加入到无机胶凝材料体系后，相互构筑形成了有机-无机互穿网络结构，并且其有机高分子的亲水官能与无机胶凝材料的Ca²⁺等阳离子发生氢键、络合等反应，其有机高分子的支链在空间位阻效应的作用下暴露在外，从而为构筑超疏水界面提供了化学结构。涂覆实施例1-5后的砂浆试块具有较好的疏水性能，为提高抵抗水溶性侵蚀离子能力提供了基础。与此同时，对比例2和对比例3的疏水程度较为下降，其接触角仅为108.2°和103.2°，由此可见，单掺木质素或单掺氧化锌对于疏水度的提升作用没有两者协同提升作用好。

图2为实施例1-5及对比例1-3的砂浆试块抵抗氯离子能力图，其中，a为对比例1、b为实施例1、c为实施例2、d为实施例3，e为实施例4，f为实施例5，g为对比例2，h为对比例3。由图2可以看出，由于对比例1无涂层防护，因此其RCM扩散系数较高。其抵抗氯离子能力高低排序为c＞f≈d＞e＞b＞h＞g＞a，与接触角测试的结果大概一致，这是由于试块表面疏水度提升，因此对水溶性侵蚀离子能力的传输有一定的抑制作用。与此同时，水性聚合物与无机胶凝材料通过木质素的氢键、吸附作用，形成交联程度更高的互穿网络结构，胶凝材料水化后留下的空隙也可以被氧化锌所填补，因此所述实施例涂层材料更加致密，从而降低了水和离子的渗透性。并且从图2中可以看出，单掺木质素的对比例2和单掺氧化锌的对比例3的抵抗氯离子能力均比本发明的实施例1-5低，单掺木质素或单掺氧化锌对于抵抗氯离子能力的提升作用没有两者协同提升作用好，单掺氧化锌的对比例3其对抵抗氯离子能力有提升作用是因为氧化锌填充了胶凝材料水化产物的孔隙，使得涂层更加密实，因此对比例3比对比例1的抵抗氯离子能力好。

Claims (10)

1.一种用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，其特征在于，所述水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层材料包括以下原料聚合反应制得(按质量计)：木质素填料0.05-5份、水性涂料体系10-35份、氧化锌0.5-2份、水泥100-300份、水35-80份。

2.根据权利要求1所述的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，其特征在于，所述木质素为高纯木质素、磺酸盐木质素、硫酸盐木质素、碱木质素、酸木质素中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，其特征在于，所述水性涂料体系为水性环氧涂料、水性聚氨酯、水性丙烯酸、水性聚脲中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层，其特征在于，所述水性涂料体系的用量是以固含量计10-35份。

5.权利要求1-4任一项所述的用于水泥基材料表面抗氯疏水防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将木质素、氧化锌加入水性涂料体系中，搅拌混合，得到混合溶液；

(2)将水和水泥搅拌混合，加入步骤(1)所述的混合溶液，搅拌混合反应，得到混合浆体；

(3)将混合浆体涂覆在已成型固化的水泥基材料试块表面，经过自然风干或养护风干，即可获得抗氯疏水防护涂层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述木质素与水性涂料(以固含量计)的质量比为1:7-700，所述氧化锌与水性涂料(以固含量计)的质量比为为1:5-70。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述搅拌混合的时间为0.05-1.0h。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水泥与水的质量比为1:0.35-2，所述搅拌混合反应的时间为2-10min。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水泥基材料试块为混凝土试块、砂浆试块或净浆试块。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述自然风干或养护风干的时间为24h以上，所述抗氯疏水防护涂层的厚度小于1mm。

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