一种磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料及其制备方法与应用

本发明涉及水泥基材料制备，具体涉及一种磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、发展海洋风电是实现“双碳”战略目标的重要途经之一，海上架空输电凭借其跨距长，输送容量大等优势成了海上电能输送的重要手段。用于架空输电线路的大型钢架结构是海上架空输电技术的重要组成部分。然而，钢架结构在服役过程受到海洋环境的影响带来的腐蚀问题不可避免。目前针对上述问题的防腐涂层主要包括有机类和无机类两种。其中，有机类涂层存在延展性较差，部分关键节点的附着力不能满足防腐要求的问题。无机类涂料容易提高钢架结构的氢脆敏感性，造成二次安全隐患。

3、磷酸镁水泥是由氧化镁、磷酸盐形成的胶凝材料，将其作为所述钢架结构的保护涂层使会与钢材反应生成钝化膜，形成物理和化学双重保护，是一种有效的钢结构防护材料，例如，申请号202111295303.7的专利文献公开了一种磷镁胶凝材料/聚合物复合涂层及其施工方法。然而，本发明人发现，由于磷酸镁水泥属于脆性材料，其抗变形能力有限，而且形成的涂料层存在孔隙率较大，耐水性不足的问题。因此，有必要进一步增强磷酸镁水泥的防腐抗渗性能，以便满足海上架空输电结构在海洋环境下的防腐要求。

技术实现思路

1、针对上述的问题，本发明提供一种磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料及其制备方法与应用，该涂层材料具有良好的防水抗渗性能。具体地，本发明的技术方案如下所示。

2、首先，本发明提供一种磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料，包括防腐层材料和疏水抗渗层材料。其中，所述防腐层材料包括如下原料组分：改性磷酸镁水泥100重量份、缓凝剂3~15重量份、粘度调整剂1~5重量份、水15~20重量份，所述改性磷酸镁水泥包括纳米改性重烧氧化镁和磷酸盐，两者质量比为2~5：1。所述纳米改性重烧氧化镁包括纳米al2o3、纳米fe3o4和重烧氧化镁，三者质量比为0.5~1：0.5~1：60~75。所述疏水抗渗层材料包括如下原料组分：磷酸镁水泥100重量份、缓凝剂3~15重量份、改性聚丙烯酸酯乳液0.5~1.5重量份、粘度调整剂1~5重量份、水15~20重量份。所述改性聚丙烯酸酯乳液包括如下原料组分：纳米sio2、硬脂酸、硅烷偶联剂、聚丙烯酸酯乳液。所述纳米改性重烧氧化镁的制备方法包括步骤：将所述纳米al2o3、纳米fe3o4和重烧氧化镁加到无水润湿剂中混合均匀，然后分离出固体产物干燥，即得纳米改性重烧氧化镁。

3、可选地，所述无水润湿剂包括无水乙醇、无水甲醇、乙二醇、丙酮等中的任意一种。所述无水润湿剂的添加量能将上述的纳米al2o3、纳米fe3o4、重烧氧化镁润湿，使其形成混合物即可。本发明利用所述润湿剂分子与纳米材料之间形成的氢键使纳米材料吸附在润湿剂分子表面，从而形成纳米材料-乙醇复合物，减小纳米材料的团聚。

4、进一步地，所述干燥温度为70~90℃，时间为1~2h，所述干燥期间可进行搅拌，有助于加快所述无水润湿剂的去除。

5、进一步地，所述改性聚丙烯酸酯乳液的制备方法包括如下步骤：

6、（1）将所述纳米sio2、硬脂酸、硅烷偶联剂和无水乙醇形成的混合物在加热条件下进行搅拌处理，完成后干燥去除所述无水乙醇，即得改性纳米sio2疏水剂。

7、（2）将所述改性纳米sio2疏水剂和聚丙烯酸酯乳液混合后在加热条件下进行搅拌处理，得改性聚丙烯酸酯乳液。

8、进一步地，步骤（1）中，所述纳米sio2、硬脂酸、硅烷偶联剂的质量比为1：0.5~1：0.5~1。所述无水乙醇的添加量能使各组分形成分散液即可。

9、进一步地，步骤（1）中，所述加热温度为30~50℃，所述搅拌时间为24~36h。所述干燥温度为60~70℃，时间为1~2h。干燥期间可进行搅拌，有助于加快所述无水乙醇的去除。

10、进一步地，步骤（2）中，所述改性纳米sio2疏水剂和聚丙烯酸酯乳液的质量比为1~2：5~10。可选地，所述聚丙烯酸酯乳液的固含量为45~55%。

11、进一步地，步骤（2）中，所述加热温度为65~75℃，所述搅拌时间为3~5h。

12、进一步地，所述疏水抗渗层材料中的磷酸镁水泥包括重烧氧化镁、磷酸盐，两者质量比为2~5：1。

13、进一步地，所述磷酸盐包括：磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠等中的至少一种。

14、进一步地，所述缓凝剂包括：硼砂、硼酸、硫酸锌、三乙醇胺等中的至少一种。

15、进一步地，所述粘度调整剂的制备方法包括如下步骤：将羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇、溶剂、引发剂混合后搅拌均匀，然后加热并持续搅拌直至完成反应，得到粘度调整剂。

16、进一步地，所述羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇、溶剂、引发剂的质量比为1~2：1：3：0.025~0.18。可选地，所述溶剂包括水、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮中的至少一种。所述引发剂包括过硫酸盐、过氧化氢等中的至少一种。

17、进一步地，所述加热温度为60~100℃，反应时间为2~3h。在此过程中，利用所述羟丙基甲基纤维素面的活性位点（-oh）和聚乙二醇单体上的官能团环氧基（-o-）共聚交联后形成共聚物。其不仅可调整涂层浆液的流变性能和粘度，而且能够提高涂层与基材的附着力以及防腐层与疏水层间的结合力，提高涂层浆液的稳定性，防止分层、沉淀或凝固等现象的发生。另外，这种粘度调整剂还能够起到改善羟丙基甲基纤维素的水溶性和润滑性，提高涂层材料力学性能和稳定性的作用。

18、其次，本发明提供一种所述磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料的制备方法，包括如下步骤：

19、（i）将所述防腐层材料的组分混合均匀，即得防腐涂料。

20、（ii）将所述疏水抗渗层材料的组分混合均匀，即得疏水抗渗涂料。

21、最后，本发明提供所述磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料在海洋工程、水利工程、建筑工程等领域应用。可选地，所述应用的方法为：先将所述防腐涂料涂覆在基材的表面，待其凝固形成防腐层后再将所述疏水抗渗涂料涂覆在该防腐层的表面，凝固后形成疏水抗渗层，即可。即本发明的所述磷镁水泥基防腐抗渗涂层材料包括了两层涂层材料，其中一层为所述防腐层，另一层为所述疏水抗渗层，且该疏水抗渗层涂覆在防腐层的表面。

22、进一步地，所述防腐层的厚度为1~2mm；所述疏水抗渗层的厚度为0.5~1mm。

23、相较于现有技术，本发明的技术方案至少具有以下方面的有益效果：

24、本发明的防腐抗渗涂层材料包括防腐层材料和疏水抗渗层材料两个功能层。其中，用于直接涂覆在金属材料表面的防腐层材料可利对金属材料的表面进行钝化形成钝化膜，从而增强防腐能力的作用。外层的所述疏水抗渗层可起到良好的阻止海洋中的腐蚀性的介质（如氯盐、硫酸盐、氧气等）侵入的作用，从而防止由于疏水抗渗层材料降解，最终失去对金属材料的防护作用的问题。为强化所述防腐层材料和疏水抗渗层材料的防护性能，（1）本发明采用纳米fe3o4和纳米al2o3对重烧氧化镁进行改性，然后采用得到的纳米改性重烧氧化镁与磷酸盐形成改性磷酸镁水泥，将其作为所述防腐层的基体材料时，一方面，所述纳米fe3o4和纳米al2o3可对涂层的内部孔隙进行填充，从而抑制腐蚀性的介质传输。另一方面，所述纳米fe3o4和纳米al2o3可起到修复所述钝化膜的作用，提高对金属材料的防护能力。这是由于纳米fe3o4颗粒可以填充到钝化膜的缺陷或裂缝中，并通过其磁性特性促进钝化膜中的离子交换和重组，从而修复和强化钝化膜的结构。纳米al2o3可以通过物理吸附或化学键合的方式附着在钝化膜表面，填补钝化膜中的缺陷和裂缝。同时，纳米al2o3的高硬度在钝化膜表面形成一层坚硬耐磨的保护层，有助于防止海水冲刷对钝化膜的侵蚀。此外，纳米fe3o4和纳米al2o3还可与钝化膜中的fe2o3反应，形成更稳定的稳定性更好的fe(oh)2、feooh和fepo4等物质，高钝化膜的致密性与稳定性，进一步增强钝化膜的保护性能。（2）本发明还采用纳米sio2、硬脂酸和硅烷偶联剂对聚丙烯酸酯乳液进行改性。硬脂酸和硅烷偶联剂可在sio2表面形成覆盖层，使纳米sio2颗粒间的相互作用减弱，从而提高纳米sio2在聚丙烯酸酯乳液中的分散性。硅烷偶联剂一端可与纳米sio2形成化学键，另一端可以与聚丙烯酸酯乳液发生相互作用，进而实现纳米sio2在聚丙烯酸酯乳液中的粘附性。与此同时，硅烷偶联剂还在纳米sio2的表面引入烷基，降低与水的相互作用，从而增强纳米sio2的疏水性。（3）含有这种纳米sio2的聚丙烯酸酯乳液在干燥过程中逐渐形成连续的聚合物薄膜结构有助于优化涂层孔结构，防止腐蚀介质通过涂层孔隙渗透到基体表面，提高了涂层的耐水性。经过本发明改性处理的聚丙烯酸酯乳液不仅克服了改性纳米二氧化硅（sio2）疏水组分的耐水性和防腐能力的不足，还弥补了聚丙烯酸酯乳液自身疏水性不足的缺陷，使改性后的聚丙烯酸酯乳液有效融合了疏水和耐水的优点，显著提升了涂料的防护性能。