CN116355445B - 一种具有疏水单元的防腐防护涂层及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有疏水单元的防腐防护涂层及其制备方法与应用，所述涂层包括钙质结构加强基底层、设于所述钙质结构加强基底层表面的微纳米级凸起的疏水单元，所述钙质结构加强基底层与所述疏水单元一体成型，涂层的耐久性强，防腐防护效果好。
Description
技术领域
本发明涉及建筑防护技术领域，尤其涉及一种具有疏水单元的防腐防护涂层及其制备方法与应用。
背景技术
水泥混凝土作为建筑的主要材料已经经历了近200年的发展，其耐久性问题也逐渐突出。大气、地下水、地面水、土壤中所含的酸、碱、盐以及侵蚀性介质，都会使建筑物受到腐蚀。
由于水泥混凝土受到腐蚀后的危害非常严重，因此对建筑的防腐防护技术探索非常重要，涂层技术是一种简单有效的防腐措施。水泥混凝土防护涂料是通过刷涂、喷涂、刮涂等方式在水泥混凝土建筑表面形成一层可以阻止水和其他水溶性腐蚀介质渗入水泥混凝土建筑内部的疏水或阻水涂层，从而增强水泥混凝土建筑的耐久性。
目前的有机防腐涂层在自然环境条件下易于老化，耐久性差，大大限制了其在建筑外部的应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层及其制备方法与应用，涂层的耐久性强，防腐防护效果好。
为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层，涂层包括钙质结构加强基底层、设于钙质结构加强基底层表面的微纳米级凸起的疏水单元，钙质结构加强基底层与疏水单元一体成型。
优选的，疏水单元中包含疏水材料，钙质结构加强基底层包含疏水材料及钙质材料。
优选的，疏水材料包括硬脂酸、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、乙酸乙酯、纳米二氧化硅中的一种或几种。
优选的，钙质材料包括钙质结构材料和/或钙质结构增强材料。
优选的，钙质结构材料包括γ-C2S、β-C2S、CS、C3S、C12A7、CA、CA2、C3A、CA6、Ca(OH)2、Mg(OH)2中的一种或几种。
优选的，钙质结构增强材料包括壳聚糖、无定形二氧化硅、聚乙二醇、氯化镁、硝酸钾中的一种或几种。
第二方面，本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1.按质量份将钙质结构材料、膜改性剂、钙质结构增强材料分散于水中，得到浆体A，将疏水材料溶解于有机溶剂中，得到溶液B；将浆体A与溶液B充分混合，经球磨得到涂层浆体；
S2.将涂层浆体涂覆于基体表面，并进行表面加工及CO2气氛中固化养护以形成疏水单元，即得具有疏水单元的防腐防护涂层。
优选的，步骤S2中的表面加工方式包括化学酸刻蚀法、模板法中的一种或几种。
优选的，涂层浆体中包括质量份数如下的组分：100-220份钙质结构材料、60-240份水、6-120份膜改性剂、2-10份钙质结构增强材料、1-7份疏水材料、60-110份有机溶剂。
第三方面，本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层在建筑领域中的应用。
本申请的有益效果如下：本申请的防腐防护涂层具有一体成型的钙质结构加强基底层及其表面的微纳米级凸起的疏水单元，提高了涂层的疏水能力，该涂层具有疏水自清洁的能力，可以用水冲刷来带走涂层表面的污染物，进而提高涂层的防腐防护效果，且一体成型的涂层不易剥落；本申请的钙质结构加强基底层包括钙质材料，钙质无机材料使得涂层在自然环境下相较于其他有机树脂材料的耐久性更佳优异，在水泥混凝土建筑的室外防腐防护领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本方案的涂层横截面示意图。
图中：1、基底；2、表面疏水单元；3、涂层整体。
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。
本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层，涂层包括钙质结构加强基底层、设于钙质结构加强基底层表面的微纳米级凸起的疏水单元，钙质结构加强基底层与疏水单元一体成型。
如图1所示，本方案涂层表面具有若干微纳米级凸起的疏水单元，疏水单元为类似荷叶表面的乳突结构，疏水单元结合疏水材料和在涂层表面形成微纳米级凸起的结构特征，可以阻止水和其他水溶性腐蚀介质渗入涂层内部，同时减少污染物在涂层表面停留的时间，从而使该涂层具备优异的自清洁和防腐防护能力，进而提高涂层的耐久性，另外，根据调整疏水单元微纳米级凸起的尺寸、疏水单元中疏水材料的用量，可以调整涂层疏水能力强弱，从而调整涂层防腐、耐久的效果；而钙质结构加强基底层，其具备可刻蚀的条件有利于形成微纳米级凸起的疏水单元，另外钙质结构加强基底层具有良好的机械强度，作为无机材料相较于有机材料如树脂等，使得该涂层在自然环境条件下的耐久性更加优异，同时相较于以普通硅酸盐水泥为代表的其他无机材料，钙质结构材料的制备及固化养护阶段分别有减少排放二氧化碳和吸收二氧化碳的特点，是一种优异的绿色低碳材料；本方案中，疏水单元进一步在外层保护钙质结构加强基底层不被腐蚀，钙质结构加强基底层为疏水单元提供自清洁及成型的结构基础，二者相互依存，使得钙质结构加强基底层与疏水单元协同作用，共同提升涂层的耐久性、防腐性能。
本方案的具有疏水单元的防腐防护涂层，包括如下组分：水、膜改性剂、疏水材料、有机溶剂、钙质结构增强材料和/或钙质结构材料。疏水单元中包含疏水材料，但不限于仅包含疏水材料，依据疏水单元制备方法的不同，也可以除疏水材料外包含钙质材料或不包含钙质材料，钙质结构加强基底层包含疏水材料及钙质材料，其中，钙质结构加强基底层中的疏水材料与疏水单元的疏水材料不仅组分相同且相连结，同时，钙质结构加强基底层中的疏水材料的面积远大于疏水单元的疏水材料，使得钙质结构加强基底层可作为疏水单元的“根部”，将疏水单元牢牢的固定于涂层表面，不仅进一步提高了钙质结构加强基底层的疏水性、自清洁能力及防腐性能，也提高了二者的结合能力，防止涂层脱落。
在一些实施例中，疏水单元和钙质结构加强基底层中均包含膜改性剂、水、有机溶剂。
在一些实施例中，疏水材料包括硬脂酸、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、乙酸乙酯、纳米二氧化硅中的一种或几种，该疏水材料有利于形成微纳米级凸起的疏水单元。
在一些实施例中，钙质材料包括钙质结构材料和/或钙质结构增强材料。
在一些实施例中，钙质结构材料包括γ-C2S、β-C2S、CS、C3S、C12A7、CA、CA2、C3A、CA6、Ca(OH)2、Mg(OH)2中的一种或几种，该钙质结构材料机械强度高，且为形成疏水单元提供刻蚀基础。
在一些实施例中，钙质结构增强材料包括壳聚糖、无定形二氧化硅、聚乙二醇、氯化镁、硝酸钾中的一种或几种，钙质结构增强材料可以提升钙质结构材料的结构强度。
在一些实施例中，膜改性剂为丙烯酸乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、氯偏乳液、乙丙乳液、硅丙乳液、环氧树脂中的一种或多种；膜改性剂的固含量为30％-60％。
在一些实施例中，有机溶剂包括无水乙醇、丙酮、苯、氯仿、乙醚、四氯化碳、二硫化碳中的一种或多种。
在一些实施例中，具有疏水单元的防腐防护涂层的涂覆厚度为0.1-3mm。
本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1.按质量份将钙质结构材料、膜改性剂、钙质结构增强材料分散于水中，得到浆体A，将疏水材料溶解于有机溶剂中，得到溶液B；将浆体A与溶液B充分混合，经球磨得到涂层浆体；
S2.将涂层浆体涂覆于基体表面，并进行表面加工及CO2气氛中固化养护以形成疏水单元，即得具有疏水单元的防腐防护涂层。
固化养护过程中，CO2浓度为3-100％、温度为-30-100℃的环境中，碳化养护时间为0.5-48h。涂层浆体涂覆于基体表面的方式包括但不限于喷涂、刮涂、刷涂、滚涂、旋涂、浸涂、淋涂、擦涂；基体包括但不限于水泥混凝土基体。
在一些实施例中，步骤S2中的表面加工方式包括化学酸刻蚀法、模板法中的一种或几种。具体的，化学酸刻蚀法是利用酸性溶液如：盐酸、硫酸、草酸、醋酸中的一种或多种，在固化后的涂层表面腐蚀出微纳米级凸起的疏水单元结构，即化学酸刻蚀法是在涂层浆体固化后再进行刻蚀而形成的疏水单元，利用该方法形成的疏水单元不包含或较少的包含钙质材料，钙质结构加强基底层与微纳米级凸起的疏水单元的组分不同；模板法是利用表面具有微纳米结构的天然或人工材料作为模板，通过模板对未固化的涂层进行表面粗糙处理，然后置于CO2环境中固化，使防腐防护涂层表面出现微纳米级凸起的疏水结构，即模板法形成的疏水单元包含与钙质结构加强基底层相同含量的钙质材料，钙质结构加强基底层与微纳米级凸起的疏水单元的组分相同；依据选择的方法及组分用量的不同，所形成涂层的防腐耐久性或粘结性有所不同，通过模板法制备的凸起大小、形状、分布更加可控，而刻蚀法所制备的凸起相对随机，并不稳定，效果不可控。
涂层浆体中包括质量份数如下的组分：100-220份钙质结构材料、60-240份水、6-120份膜改性剂、2-10份钙质结构增强材料、1-7份疏水材料、60-110份有机溶剂，钙质结构材料与其他几种材料应保持在适当的比例范围内。膜改性剂太少，则涂层太脆，粘结性弱，韧性太差；太多则硬度太低。钙质结构增强材料太少则强度不足；太多时对强度的增加不明显，没有意义。疏水材料太少疏水性能不佳；太多对疏水性能影响不明显。
本申请提供一种具有疏水单元的防腐防护涂层在建筑领域中的应用。
以下通过具体实施例对本方案进行进一步说明。
实施例1
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，涂层包括钙质结构加强基底层、设于钙质结构加强基底层表面的微纳米级凸起的疏水单元，钙质结构加强基底层与疏水单元一体成型，钙质结构加强基底层与微纳米级凸起的疏水单元的组分相同，疏水单元中包含疏水材料及钙质材料，钙质结构加强基底层包含疏水材料及钙质材料，钙质材料包括钙质结构材料及钙质结构增强材料。
一种具有疏水单元的防腐防护涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1.将120份钙质结构材料、10份膜改性剂、2份钙质结构增强材料分散于100份水中，得到浆体A，将1份疏水材料溶解于60份有机溶剂中，得到溶液B；将浆体A与溶液B充分混合，经球磨得到涂层浆体；其中，钙质结构材料为质量比为5:1的γ-C2S和CA，膜改性剂为固含量为50％的纯丙乳液，钙质结构增强材料为壳聚糖，疏水材料为硬脂酸，有机溶剂为无水乙醇；
S2.将涂层浆体涂覆于基体表面形成2mm的厚度，再利用模板法在未固化之前利用W7型号的金相砂纸进行表面粗糙处理以形成微纳米级凸起的疏水单元，而后通过碳化固化，即得具有疏水单元的防腐防护涂层，其中，CO2浓度为99％、温度为25℃的环境中，碳化养护时间为24h。
实施例2
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其他内容与实施例1相同，所不同的是，疏水材料用量为2份。
实施例3
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其他内容与实施例1相同，所不同的是，模板为W5型金相砂纸。
实施例4
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其他内容与实施例1相同，所不同的是，钙质结构材料为140份。
实施例5
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其他内容与实施例1相同，所不同的是，疏水材料用量为5份、钙质结构材料为130份。
实施例6
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其组分与实施例1相同，所不同的是，其表面微纳米级凸起的结构与实施例1不同。
一种具有疏水单元的防腐防护涂层的制备方法，其步骤与实施例1相同，所不同的是，将步骤S2中的模板法替换为刻蚀法：将涂层浆体涂覆于基体表面形成2mm的厚度，后通过碳化固化，其中，CO2浓度为99％、温度为25℃的环境中，碳化养护时间为24h，将固化后的涂层浸入以5％的稀盐酸的刻蚀液中进行刻蚀1min，以形成疏水单元，即得具有疏水单元的防腐防护涂层。
实施例7
一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其他内容与实施例1相同，所不同的是，钙质结构材料为220份、水为240份、膜改性剂为120份、钙质结构增强材料为10份、疏水材料为7份、有机溶剂为110份；其中钙质结构材料为Ca(OH)2。
对比例1
一种涂层，其结构及制备方法与实施例1大体相同，所不同的是，在制备过程中，不添加疏水材料。
对比例2
一种涂层，其结构与实施例1大体相同，所不同的是，不包括微纳米级凸起的疏水单元，该涂层为平面结构，其制备方法与实施例1大体相同，所不同的是，在步骤S1之后，直接进行碳化养护。
对比例3
一种涂层，其结构及制备方法与实施例1相同，所不同的是，将钙质材料替换为普通硅酸盐水泥，S2步骤中的碳化固化过程取消。
对比例4
一种涂层，其结构及制备方法与实施例1大体相同，所不同的是，该涂层为平面结构不包括微纳米级凸起的疏水单元，同时在制备过程中，不添加疏水材料类，并步骤S1之后，直接进行碳化养护。
评价测试
以水泥基材料为涂覆基体，将以上实施例及对比例得到的涂层采用接触角测量仪测量进行润湿性与吸水性测试：
涂层的润湿性通过接触角来表征。采用接触角测试仪测量涂层在常温(25℃)常压(一个标准大气压)下的接触角，选用去离子水进行测定，在涂层上随机取5个点位测量值的平均值确定接触角，结果如表1所示。
毛细吸水实验是表征水泥基材料吸水性的主要方式。将水泥基材料其他五个面使用环氧树脂密封，将涂层面浸入水中7d。吸水量的计算如公式(1)所示：
式中I表示吸水量(mm)，mt表示t时间吸水质量(g)，S表示试件与水的接触面积(mm2)，表示水的密度(g/mm3)，结果如表1所示。
表1测试结果
根据以上实施例及对比例的润湿性与吸水性测试结果，分析可知以下结果：
在钙质结构加强基底中添加疏水材料与涂层的疏水性能存在正向相关性，伴随着涂层组分中疏水材料含量的增加涂层的疏水性能也会随之增加，但是涂层的疏水能力的提升不是无限制的，当疏水材料增加到一定含量时，涂层的疏水性能趋近稳定。
在钙质结构加强基底表面构造微纳米级凸起的疏水单元同样可以提高涂层的疏水性能，但是相对于在涂层中添加疏水材料，在表面构造疏水单元对涂层的吸水性影响较弱。
在钙质结构加强基底中添加疏水材料及在钙质结构加强基底表面构造微纳米级凸起的疏水单元均可提高防腐防护涂层的疏水性能，且二者协同作用可进一步提高涂层的疏水能力。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有疏水单元的防腐防护涂层，其特征在于，所述涂层包括钙质结构加强基底层、设于所述钙质结构加强基底层表面的微纳米级凸起的疏水单元，所述钙质结构加强基底层与所述疏水单元一体成型；所述疏水单元中包含疏水材料，所述钙质结构加强基底层包含疏水材料及钙质材料；所述钙质结构材料包括γ-C2S、β-C2S、CS、C3S、C12A7、CA、CA2、C3A、CA6、Ca(OH)2、Mg(OH)2中的一种或几种；所述具有疏水单元的防腐防护涂层的制备方法，包括以下步骤：S1.按质量份将钙质结构材料、膜改性剂、钙质结构增强材料分散于水中，得到浆体A，将疏水材料溶解于有机溶剂中，得到溶液B；将所述浆体A与所述溶液B充分混合，经球磨得到涂层浆体；S2.将所述涂层浆体涂覆于基体表面，并进行表面加工及CO2气氛固化养护以形成疏水单元，即得所述具有疏水单元的防腐防护涂层；步骤S2中的表面加工方式包括化学酸刻蚀法、模板法中的一种或几种；所述涂层浆体中包括质量份数如下的组分：100-220份钙质结构材料、60-240份水、6-120份膜改性剂、2-10份钙质结构增强材料、1-7份疏水材料、60-110份有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的具有疏水单元的防腐防护涂层，其特征在于，所述疏水材料包括硬脂酸、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、乙酸乙酯、纳米二氧化硅中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的具有疏水单元的防腐防护涂层，其特征在于，所述钙质材料包括钙质结构材料和钙质结构增强材料。
4.根据权利要求1所述的具有疏水单元的防腐防护涂层，其特征在于，所述钙质结构增强材料包括壳聚糖、无定形二氧化硅、聚乙二醇、氯化镁、硝酸钾中的一种或几种。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有疏水单元的防腐防护涂层在建筑领域中的应用。
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| CN106085070A (zh) * | 2016-07-11 | 2016-11-09 | 复旦大学 | 一种低表面能微纳米涂层材料及其制备方法 |
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