CN115926569A - 一种涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于涂料技术领域，提供了一种涂料及其制备方法和应用，本发明提供的涂料包括环氧杂化改性硅溶胶、丙烯腈改性苯丙乳液作为主要原料组分，本发明的涂料可以在较薄的成膜厚度下保持较好的附着力、硬度、柔韧度、抗冲击性，涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度达到15.64‑19.15kN/mm²，相对黏结强度达到89.44‑109.53％，附着力达到1‑2级，硬度达到H，柔韧性2‑3mm，抗冲击性≥40cm，用作混凝土结构内置钢筋的防锈蚀涂料，可提高钢筋与混凝土界面的黏结性能，在较薄的成膜厚度即可起到对钢筋很好的保护作用，而且可以在施工现场对钢筋进行涂覆，使用方法简便易操作，降低成本。

Description

一种涂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，更具体地，涉及一种涂料及其制备方法和应用。

背景技术

钢筋混凝土作为一种经济、耐久性材料广泛应用于土木工程领域，混凝土在多种外界环境条件作用下，当钢筋外面的混凝土出现中性化等情况时，材料的耐久性能会发生衰退，对其内部钢筋逐渐失去保护作用，钢筋失去混凝土结构中碱性环境的保护，铁基体表面的钝化膜被破坏并开始锈蚀，锈蚀的钢筋不但截面积有所损失，材料的各项性能也会发生衰退，从而影响混凝土构件的承载能力和使用性能。混凝土的主要原材料之一是河砂，但是河砂资源十分紧缺，河砂的长途运输成本十分昂贵，为了缓解河砂短缺问题，采用资源较为丰富的海砂。海洋工程中使用海砂作为混凝土原材料，不仅可节约河沙，还可就地取材，降低大量的经济成本，具有非常大的实用价值。但是，利用海砂作为建筑材料存在一些弊端，海砂中含有的氯离子，如果直接采用未经淡化处理的海砂，会引起混凝土结构内置钢筋的锈蚀，降低了混凝土结构的耐久性以及缩短了建筑的服役寿命。

因此，对海砂混凝土结构内置钢筋进行防锈处理是非常必要的。在现有钢筋防锈技术中，钢筋表面涂覆防锈涂层是运用最为广泛的，例如钢筋表面涂覆环氧树脂涂层。环氧树脂涂层具有极强的耐化学侵蚀性能，不与酸、碱反应，且具有不渗透性，能够阻挡腐蚀介质与钢筋接触，有效地保护钢筋。但是，钢筋表面涂覆环氧树脂涂层需采用环氧树脂粉末通过静电喷涂在钢筋表面，施工前要将钢筋进行净化处理，对钢筋表面的氯化物含量、清洁度、粗糙度等等有着非常严格的要求，施工后还需要进行修补涂层等繁琐工序，而且环氧树脂涂层较厚，一般为150-300μm，较厚的涂层才能够起到防锈蚀效果，但是这会导致钢筋与混凝土界面之间的黏结性能下降，从而影响混凝土结构的耐久性，由以上可知，钢筋表面涂覆环氧树脂涂层的价格较高、工艺要求严格、涂层较厚，黏结性能差。

因此，亟需开发一种涂料，对海砂混凝土结构内置钢筋涂覆涂料，以起到防锈蚀作用，钢筋与混凝土界面之间的黏结性能好，提高混凝土结构的耐久性，降低成本，简化施工工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种涂料制及其制备方法和应用，本发明提供的涂料可以进一步用于混凝土结构内置钢筋的涂覆，防止混凝土结构中的钢筋锈蚀，钢筋与混凝土界面之间的黏结性能好，提高混凝土结构的耐久性，可在施工现场进行涂覆，施工工艺简便，降低成本。

本发明的第一方面提供一种涂料。

具体地，一种涂料，包括如下组分：

环氧杂化改性硅溶胶；

丙烯腈改性苯丙乳液。

本发明提供的涂料中添加了环氧杂化改性硅溶胶，其中的无机二氧化硅相与环氧树脂相之间存在化学键与氢键作用，形成有机-无机杂化交联的结构，有助于提高涂层的附着力、硬度、柔韧度，而且在较薄的成膜厚度下(例如成膜厚度在10-15μm左右)即可获得较好的附着力、硬度、柔韧度，用作混凝土结构内置钢筋的防腐涂料，还可以提升钢筋与混凝土界面的黏结性能，使涂层钢筋与混凝土的黏结强度接近于基准钢筋与混凝土的黏结强度，同时不会影响涂层的防锈蚀效果。本发明还添加了丙烯腈改性苯丙乳液，利用丙烯腈对苯丙乳液进行改性，提高了乳液的稳定性，促进了乳胶粒的分散，且丙烯腈改性苯丙乳液与环氧杂化改性硅溶胶进行偶联结合，能够改善涂层易出现龟裂的现象，提高涂料的成膜性能。

优选地，按照质量份数计，包括如下组分：

环氧杂化改性硅溶胶       20-40份；

丙烯腈改性苯丙乳液       50-70份。

进一步优选地，按照质量份数计，包括如下组分：

环氧杂化改性硅溶胶       25-35份；

丙烯腈改性苯丙乳液       55-65份。

优选地，所述环氧杂化改性硅溶胶包括采用改性硅溶胶和环氧树脂作为主要原料制得。

优选地，所述改性硅溶胶与环氧树脂的质量比为(2-4)：(1-3)。

进一步优选地，所述改性硅溶胶与环氧树脂的质量比为(3-4)：(2-3)。

更优选地，所述改性硅溶胶与环氧树脂的质量比为3：2。

当改性硅溶胶与环氧树脂按照特定的质量比制得环氧杂化改性硅溶胶，并用于制得涂料，所制得的涂层的附着力、硬度、抗冲击性能最佳。

优选地，所述丙烯腈改性苯丙乳液包括采用纯苯丙乳液和丙烯腈作为主要原料制得。

优选地，所述丙烯腈的质量为纯苯丙乳液质量的10-20％。

进一步优选地，所述丙烯腈的质量为纯苯丙乳液质量的14-18％。

优选地，还包括助剂，所述助剂包括缓蚀剂、成膜助剂、消泡剂、流平剂、防闪锈剂、增稠剂中的一种或几种。

优选地，按照质量份数计，所述助剂包括如下组分：

进一步优选地，按照质量份数计，所述助剂包括如下组分：

优选地，所述缓蚀剂为溶胶-凝胶缓蚀剂。本发明在环氧杂化改性硅溶胶中加入溶胶-凝胶缓蚀剂，在金属表面成膜后，在薄膜状态下能够起到阻挡金属与介质中侵蚀性离子接触的物理阻挡层作用。

优选地，所述溶胶-凝胶缓蚀剂为无机缓蚀剂。无机缓蚀剂可以使金属表面钝化或者在金属表面形成沉积膜进而起到减缓锈蚀的作用。

优选地，所述无机缓蚀剂为铬酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐、钼酸盐、钨酸盐、聚磷酸盐、锌盐中的一种或几种。

优选地，所述成膜助剂包括醇酯类溶剂或者醇醚类溶剂。

优选地，所述醇酯类溶剂为醇酯十二。

优选地，所述醇醚类溶剂为乙二醇丁醚(EB)、丙二醇甲醚PM、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇单甲醚(DPM)中的一种或几种。

优选地，所述消泡剂为有机硅型消泡剂。有机硅型消泡剂的主要成分为硅油，在溶液表面易于铺张，易于进入泡沫的双分子定向膜，破坏膜的力学平衡从而达到消泡的目的。

优选地，所述流平剂为丙烯酸酯类流平剂。丙烯酸酯类流平剂能有效降低涂饰液表面张力并改善涂饰液的渗透性，能减少刷涂时产生斑点和斑痕的可能性，增加覆盖性，使成膜均匀、自然。

优选地，所述防闪锈剂为亚硝酸钠、钼酸钠、铬酸锶、磷酸盐中的一种或几种。防闪锈剂由有机络合物和多种有机化合物组成，与防腐涂料有协同作用，能阻止铁质金属底材的表面发生阴极化反应。防闪锈剂还能阻止铁质金属的离子化，从而避免被氧气所氧化。

优选地，所述增稠剂为丙烯酸、聚丙烯酸钠、明胶、酪蛋白酸钠、干酪素中的一种或几种。

本发明的第二方面提供一种涂料的制备方法。

一种涂料的制备方法，包括如下步骤：

将各组分混合，制得所述涂料。

优选地，所述将各组分混合后，还包括加入助剂，制得所述涂料。

优选地，所述混合的温度为20-40℃，所述混合的时间为10-20分钟。

进一步优选地，所述混合的温度为25-30℃，所述混合的时间为15-20分钟。

优选地，所述混合在高速搅拌器中进行。

优选地，所述环氧杂化改性硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：

将改性硅溶胶和环氧树脂混合，制得所述环氧杂化改性硅溶胶。

优选地，所述将改性硅溶胶和环氧树脂混合的温度为20-30℃，所述将改性硅溶胶和环氧树脂混合的时间为10-20min。

优选地，所述丙烯腈改性苯丙乳液的制备方法，包括如下步骤：

将纯苯丙乳液和丙烯腈混合，进行改性，制得所述丙烯腈改性苯丙乳液。

优选地，所述改性的温度为20-30℃，所述改性的时间为15-30min。

优选地，所述加入助剂后，还包括加入溶剂调节粘度，搅拌，过滤。

优选地，所述粘度为20-50s(Zahn-2#粘度测量杯)。

进一步优选地，所述粘度为25-35s(Zahn-2#粘度测量杯)。

本发明的第三方面提供一种涂料的应用。

一种涂料在防锈蚀领域中的应用。

优选地，所述涂料在金属材料防锈蚀领域中的应用。

优选地，所述金属材料为海砂混凝土内置钢筋。

优选地，将涂料采用浸涂或刷涂的方式在金属材料表面成膜。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供的涂料包括环氧杂化改性硅溶胶、丙烯腈改性苯丙乳液作为主要原料，本发明提供的涂料的成膜厚度较薄，同时具有较好的附着力、硬度、柔韧度、抗冲击性，涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度达到15.64-19.15kN/mm²，相对黏结强度达到89.44-109.53％，附着力达到1-2级，硬度达到H，柔韧性2-3mm，抗冲击性≥40cm，可进一步用于金属材料的防锈，例如混凝土结构内置钢筋的涂覆，用作防护漆，形成保护漆膜，解决海砂混凝土结构中氯离子易导致钢筋锈蚀的问题，提高钢筋与混凝土界面的黏结性能，用于混凝土结构中钢筋的防护；

(2)本发明将各组分混合，即制得涂料，本发明提供的制备方法简便易操作；

(3)本发明提供的涂料可以用于防锈蚀领域，在较薄的成膜厚度(例如成膜厚度在10-15μm左右)即可起到很好的保护作用，在防盐雾性能测试中，出现锈蚀现象的时间≥48小时，甚至防盐雾时间可长达72小时，可以满足浇注前的工艺防锈以及浇注后防止海砂中氯离子的侵蚀，可以在施工现场对钢筋进行涂覆，使用方法简便易操作，降低成本。

具体实施方式

为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。

以下各实施例和对比例中采用的原料如下：

硅溶胶：主要成分为二氧化硅，购买于上海实验试剂有限公司。

环氧树脂：主要成分为双酚A、环氧氯丙烷，购买于上海实验试剂有限公司。

丙烯腈：分析纯，购买于上海朗源化工有限公司。

成膜助剂：醇酯十二，购买于上海邦高化学有限公司。

消泡剂：主要成分为有机聚醚酯、矿物油、醇等，型号为PA-311，购买于佛山市南海大田化学有限公司。

流平剂：丙烯酸树脂，购买于上海实验试剂有限公司。

防闪锈剂：磷酸盐，购买于沈阳化学试剂厂。

溶胶-凝胶缓蚀剂：硅酸钠和硅酸钾，购买于宁海天成化学有限公司。

增稠剂：主要成分为丙烯酸、聚丙烯酸钠，购买于北京东方亚科力化工科技有限公司。

苯丙乳液：主要原料为苯乙烯、丙烯酸等，购买于济南银润化工有限公司。

实施例1

一种涂料，其组分以及用量如下表1所示。

上述涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)在室温条件下，将改性硅溶胶与环氧树脂按照质量比3：2进行混合搅拌，制备得到环氧杂化改性硅溶胶；在纯苯丙乳液中加入丙烯腈进行改性，制备得到丙烯腈改性苯丙乳液，其中丙烯腈的用量为14％；

(2)把环氧杂化改性硅溶胶、丙烯腈改性苯丙乳液、成膜助剂、消泡剂、流平剂、防闪锈剂、溶胶-凝胶缓蚀剂、增稠剂按表1配方质量称量好，投入干燥的高速搅拌器搅拌器内，在室温环境下开机搅拌15min，使上述物料在搅拌状态下混合；

(3)搅拌过程中适量加水调节粘度至25-35s(测量工具：Zahn-2#粘度测量杯)，搅拌结束后进行过滤，包装。

实施例2-9

实施例2-9的原料组分及其用量如下表1所示。实施例2-9的制备方法同实施例1。

表1各实施例的组分及其用量(质量份数)

对比例1-2

各对比例的组分及其用量如下表2所示。

表2各对比例的组分及其用量(质量份数)

产品效果测试

1、测试方法

(1)钢筋与混凝土黏结强度的测定

将本发明各个实施例和对比例制备的涂料，分别用毛刷涂覆在直径为16mm的HRB400钢筋表面，将涂覆好的钢筋放置在室内阴凉处静置7天，待涂层完全干燥。应用强度为C30的混凝土，按照黏结强度测试的行业标准(GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》)浇筑试件，24h后脱模，在标准养护室内养护28天，进行钢筋与混凝土黏结强度测定试验。

黏结强度按照下式进行计算：

(a)钢筋与混凝土之间的黏结强度计算公式：

——钢筋与混凝土之间的黏结强度实测值，kN/mm²；

——钢筋黏结破坏的最大荷载实测值；

dl_a——钢筋的埋入长度，取5d，mm。

(b)相对黏结强度(即涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度相对于未涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度的比值)的计算公式：

式中：

λ_τ——相对黏结强度，％；

τ_bm，c——涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度平均值，kN/mm²；

τ_bm——未涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度平均值，kN/mm²；(本次测量的基准钢筋与混凝土黏结强度平均值为：17.49kN/mm²)。

(2)涂层的耐盐雾试验

实施例1-9和对比例制备的涂料分别在用毛刷涂覆在直径为16mm的HRB400钢筋表面，涂膜厚度为12±5μm，将涂覆好的钢筋放置在室内阴凉处静置7天；然后将钢筋试样放入90型盐雾试验箱内，通过喷头将质量浓度为5％的NaCl溶液以细雾状的形式喷至钢筋表面。试验期间每隔12h观察一次钢筋锈蚀情况，分别观察、记录每种钢筋的锈蚀情况与出现锈蚀的时间。

(3)涂层的硬度试验

防护漆涂层硬度测试依据《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》(GB/T 6739-2006)，主要测试仪器为铅笔硬度计。先将实施例1-9制得的涂层样板置于23±2℃和相对湿度50±5％环境中16h以上，将铅笔装入铅笔硬度计内，将铅笔硬度计平放在样板表面，铅笔尖接触涂层后轻轻拖动试样板，直到样板上出现明显铅笔划痕为止，以出现明显划痕的最硬铅笔硬度来表示测试涂层的硬度。

(4)涂层的抗剥离划格法试验(附着力测试)

涂层抗剥离测试依据《色漆和清漆漆膜的划格试验》(GB/T 9286-2021)，主要测试仪器为划格测试器。先将实施例1-9的涂层样板置于水平桌面上，然后水平拖动划格器，第二次拖动与前一次互相垂直，两次划出数个小正方形方格，用胶带贴在表面后撕开，用放大镜观察涂层小方格剥离脱落的情况。如果涂层表面无一格脱落则涂层抗剥离等级为0级；如果涂层切口交叉处允许有少许的涂层脱落分离，但是划格区受影响的面积不大于5％则涂层抗剥离等级为1级；如果涂层切口交叉处或沿切口边缘处有涂层脱落，且影响面积为5％-15％则涂层抗剥离等级为2级；如果在涂层沿切割边缘发现大面积脱落，且影响面积在15％-35％则涂层抗剥离等级为3级；如果涂层沿切割边缘有大碎片脱落，且影响面积在35％-65％则涂层抗剥离等级为4级；如果测试过程中发现影响面积大于4级的严重剥落则认定涂层抗剥离等级为5级。

(5)涂层的抗冲击性试验

涂层耐冲击测试依据《漆膜耐冲击性测定法》(GB/T 1732-2020)，主要测试仪器为漆膜冲击器。将分别涂刷了各个实施例和对比例制得的涂料的马口铁样板平放于重锤下方的受冲击处，马口铁受冲击部分距离边缘不少于15mm，使重锤从滑筒固定高度自由落于冲头上，然后提起重锤取出马口铁，记录重锤落下的高度，用放大镜观察涂层有无裂纹、褶皱及剥落等现象，以重锤落在马口铁上而不引起涂层破坏的最大高度(cm)表示涂层的耐冲击性能。

(6)涂层的柔韧度试验

涂层柔韧性测试依据《色漆和清漆弯曲试验》(GB/T 6742-2007)，主要测试仪器为漆膜圆柱弯曲试验仪。先将弯曲试验仪置于靠近试验台边缘，在弯曲部件和轴棒之间的上面插入分别涂刷了各个实施例和对比例制得的涂料的马口铁样板，使待测涂层背朝轴棒，使试样板处于垂直位置，并且与轴接触，在2s内以恒定速率弯曲试样板180°，然后取出涂层样板，使用放大镜观察试样板弯曲处涂层的剥离和开裂情况，以引起涂层破坏的最大轴径(mm)表示涂层的柔韧性。

2、测试结果

表3涂覆涂层的钢筋与混凝土黏结强度的试验结果

表4各个实施例和对比例涂料所制得的涂层的性能测试结果

由上表3和表4的结果可知，涂覆了本发明制得的涂料之后，涂覆涂层的钢筋与混凝土之间的黏结强度达到15.64-19.15kN/mm²，相对黏结强度达到89.44-109.53％，均比对比例1-2的粘结强度高，本发明实施例1-9涂料制得的涂层在防盐雾性能测试中，出现锈蚀现象的时间≥48小时，甚至防盐雾时间可长达72小时，可用作混凝土结构内置钢筋的防护漆，硬度达到H，附着力达到1-2级，抗冲击性≥40cm，柔韧性2-3mm，具有耐腐蚀性能好、硬度高、附着力强、抗冲击性好、柔韧性好的特点，可以提高钢筋和混凝土的黏结强度，能够解决海砂混凝土结构内置钢筋易锈蚀、结构耐久性低等问题，以及环氧树脂涂层钢筋制作工艺条件高、涂层厚、成本低等经济适用性问题。可作为海砂混凝土内置钢筋用防锈涂料，解决海砂混凝土中氯离子易导致钢筋锈蚀问题。

对比例1采用硅溶胶代替环氧杂化改性硅溶胶制得涂料，由于硅溶胶的活性太大，单独胶化主要呈纤维状或羽毛状，所形成的膜层很脆且容易发生龟裂，结果导致黏结强度下降，在防盐雾测试中，12小时就出现了锈蚀现象，硬度下降至2B，附着力下降至3级，抗冲击性和柔韧性均下降。

对比例2采用苯丙乳液代替丙烯腈改性苯丙乳液，由于苯丙乳液最低成膜温度偏高、乳液的流变性差、耐水性差，结果导致所制得的涂层黏结强度下降，在防盐雾测试中，36小时就出现了锈蚀现象，硬度、附着力、抗冲击性和柔韧性均发生下降。

Claims (10)

1.一种涂料，其特征在于，包括如下组分：

环氧杂化改性硅溶胶；

丙烯腈改性苯丙乳液。

2.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，按照质量份数计，包括如下组分：

环氧杂化改性硅溶胶       20-40份；

丙烯腈改性苯丙乳液       50-70份。

3.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述环氧杂化改性硅溶胶包括采用改性硅溶胶和环氧树脂作为主要原料制得。

4.根据权利要求3所述的涂料，其特征在于，所述改性硅溶胶与环氧树脂的质量比为(2-4)：(1-3)。

5.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述丙烯腈改性苯丙乳液包括采用纯苯丙乳液和丙烯腈作为主要原料制得。

6.根据权利要求5所述的涂料，其特征在于，所述丙烯腈的质量为纯苯丙乳液质量的10-20％。

7.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，还包括助剂，所述助剂包括缓蚀剂、成膜助剂、消泡剂、流平剂、防闪锈剂、增稠剂中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的涂料，其特征在于，按照质量份数计，所述助剂包括如下组分：

9.权利要求1-8任一项所述涂料的制备方法，包括如下步骤：

将各组分混合，制得所述涂料。

10.权利要求1-8任一项所述涂料在防锈蚀领域中的应用。