一种用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料领域，具体涉及一种用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料及其制备方法。

背景技术

水泥基材料是目前世界上使用最广泛的建筑材料之一。由于水泥水化产物中含多级尺度孔隙，导致水泥基表面呈亲水性，水溶液易被微孔所产生的毛细作用吸附至材料内部，从而严重降低水泥基构造物的耐久性。例如，在寒冷地区，由于水泥内部水结冰后体积增大导致构造物表面开裂或脱落；环境水中通常含有Cl-、SO42-、H+等侵蚀性离子，浸入钢筋混凝土内部引起钢筋锈蚀，降低结构强度。此外，水泥基构造物表面污垢与微生物长期沉积也会对混凝土性能产生不利影响。综上，水泥基材料碳化、硫酸盐侵蚀、冻融等病害均与水、空气污染物密切相关。因此，增强水泥基材料表面的防水性能和自清洁能力是提高水泥基构造物耐久性的有效途径之一。

“自清洁”是指能够在雨水冲刷等自然外力作用下长期维持物体表面洁净。针对水泥基材料，一般采用超疏水物理自清洁涂料。然而，超疏水物理自清洁涂料在实际应用中，常因有机油脂污染物黏附，涂料疏水成分被破坏，疏水性逐渐降低，最终失去其超疏水自清洗性能。而对水泥基材料进行超疏水改性的研究工作多专注于提高其表面机械稳定性。然而，在实际应用与工程中的超疏水自清洁涂层，仅仅提高耐磨性能是不够的，能否抵抗自然环境中酸雨、高低温温差循环及紫外老化等破坏也是推广应用的关键。

因此，需要一种用于水泥基表面的自清洁涂料，能够克服普通混凝土遇冻雨易结冰、抗冻融性能差且内部易被腐蚀及普通超疏水涂料耐紫外线能力差、易被有机物污染表面失去超疏水性等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料及其制备方法，具有良好化学稳定性与耐候性能，增强水泥基材料表面的防水性能和自清洁能力，使水泥基表面能抵抗自然环境中酸雨、高低温温差循环及紫外老化等破坏。

本发明的用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料，所述涂料原料包括疏水纳米颗粒和对疏水纳米颗粒进行修饰的低表面能物质，所述低表面能物质为含长链烷烃的氧基硅烷，所述疏水纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒与纳米二氧化钛颗粒；

进一步，所述含长链烷烃的氧基硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷或/和甲基三甲氧基硅烷；

进一步，所述十六烷基三甲氧基硅烷掺量为涂料的1％-5％；所述甲基三甲氧基硅烷掺量为涂料的2％-6％；

进一步，所述纳米二氧化硅颗粒采用改性剂进行疏水改性处理，所述改性剂包括低表面能物质为正辛基三乙氧基硅烷和硅烷偶联剂。

进一步，所述硅烷偶联剂为环氧硅烷KH-560；

进一步，所述纳米二氧化硅颗粒与纳米二氧化钛颗粒的质量比为1-7：1。

本发明公开一种用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料的制备方法，包括以下步骤：将纳米二氧化硅颗粒与纳米二氧化钛颗粒加入固定溶剂中超声分散均匀，然后添加浓盐酸调节溶液的pH值，最后加入含长链烷烃的氧基硅烷搅拌，得到用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料；

进一步，所述固定溶剂为异丙醇、无水乙醇与去离子水的混合溶液。

本发明的有益效果是：本发明公开的用于水泥基表面的纳米光催化协同超疏水涂料及其制备方法，采用超疏水物理自清洁与纳米光催化化学自清洁相结合的方式使涂料具有物理和化学自清洁性能，通过纳米光催化自清洁可以化学催化有机污染物，将其分解成二氧化碳和水等小分子，与物理自清洁协同作用，提高自清洁能力。本发明的涂料与其他超疏水涂料相比，具有良好的耐紫外线老化及耐温差循环性能，且能通过纳米光催化降解有机污染物的能力，显著改善了普通超疏水涂料因有机物黏附表面丧失超疏水的缺点。将本发明的涂料用于水泥基表面，所形成的超疏水混凝土涂层具有较好的耐磨性能及耐酸碱盐化学稳定性，且制备工艺简单，再超疏水测试中，表面接触角大于150°，滚动角小于10°。与普通混凝土相比，本发明获得的超疏水水泥基表面具有自清洁能力，抗腐蚀破坏能力，可有效防止水滴黏附于水泥基构造物表面，显著提高普通混凝土的耐久性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的涂料的SEM图；

图2是利用傅里叶红外光谱(FT-IR)对纳米光催化协同超疏水涂层进行表征的结果；

图3是利用X-射线衍射(XRD)对纳米光催化协同超疏水涂层进行表征的结果；

图4是水滴在水泥基纳米光催化协同超疏水涂层表面的静态数码照片及静态接触角测量图；

图5是纳米光催化协同超疏水涂层自清洁过程示意图；

图6是降解有机物罗丹明B溶液的前后对比图及紫外可见光谱图(其中CBPSSC指水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

具体实施方式

实施例一

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入疏水纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例二

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入疏水纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例三

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入疏水纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例四

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入疏水纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例五

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入疏水纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例六

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例七

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例八

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例九

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十一

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十二

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十三

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十五

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

实施例十六

(1)取10ml的异丙醇，20ml的乙醇以及10ml去离子水混合溶液作为溶剂，加入纳米SiO

(2)将上述纳米光催化协同超疏水材料刷涂在水泥混凝土表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

上述实施例中，疏水纳米SiO2材料的改性制备：

称取3g纳米二氧化硅加入无水乙醇与去离子水(比例为3：1)的混合溶液中，将其置于超声清洗机中超声分散30min后，滴加0.4ml浓盐酸溶液调节溶液的pH值，使其保持在4.5～6.5，再添加5ml正辛基三乙氧基硅烷、1ml硅烷偶联剂KH-560与1ml丙酮在50℃恒温水浴锅以10r/min的速率搅拌60～120min得到凝胶，放置12h使充分陈化后120℃烘干研磨成粉末，得到改性后的疏水SiO2颗粒。

上述实施例中，纳米二氧化硅(粒径为30nm)，阿拉丁化学试剂；纳米二氧化钛(粒径为30nm)，邦瑞新材料科技有限公司；正辛基三乙氧基硅烷OTES及硅烷偶联剂KH-560，分析纯(98％)，湖北科孚乐材料科技有限公司；十六烷基三甲氧基硅烷HDTMS与甲基三甲氧基硅烷MTMS，分析纯，阿拉丁化学试剂；浓盐酸溶液，分析纯(37％)，成都市科隆化工试剂厂；丙酮、无水乙醇及异丙醇，分析纯(AR)，川东化工试剂厂。

上述实施例中，水泥基纳米光催化协同超疏水自清洁涂层的制备：

按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204-2015)中的试验方法制备出若干水泥试件。硅酸盐水泥、沙子和水以1:1.14:0.4的质量比混合，搅拌150s，制备尺寸为100mm×100mm×100mm的试样。样品在标准固化室中固化，温度为20℃±2℃，相对湿度为95％，连续固化7天。然后用切割机将固化后的试样切割成尺寸为100mm×100mm×10mm的普通水泥试块，用砂纸将表面打磨后，刷去试块表面的灰尘等杂质，保持表面干净，将制备出的纳米光催化协同超疏水材料涂覆于试件表面，待涂层固化24h后得到水泥基纳米光催化协同超疏水涂层。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。