一种具有抗冻防冰特性的水泥基超疏水涂料及其制备方法和应用

本发明涉及涂料组合物，尤其涉及一种具有抗冻防冰特性的水泥基超疏水涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、水泥基材料具有生产原料丰富，价格低廉以及抗压强度高等优点，是目前消耗最多和用途最广的建筑材料之一。然而，水泥基材料的服役环境较为复杂，对耐久性的要求各不相同。

2、在寒冷的气候条件下，冰雪的积聚与冻结常常给水泥基材料的稳定性与使用寿命带来严重危险。去除冻结在材料表面的冰层是一大难题，传统的除冰方法，如机械除冰、化学除冰等，虽然可以在短时间内解决问题，但存在材料损伤，高能耗以及环境污染等问题。同时，冻融循环也对水泥基材料的寿命构成一定威胁。水分通过孔隙进入水泥基材料内部，经过多次的冰水转换，内部孔隙压力逐渐增大，最终导致结构破坏。目前常见的处理方式主要有两种，第一种是通过补充胶凝材料降低水灰比来增加材料的密实度从而提高抗冻性能，但这不能改变水泥基材料固有的亲水性。第二种是通过涂刷一些有机涂料来减少结构表面水的渗入，但这些有机涂料耐久性有限，部分涂料在潮湿环境下会发生鼓包脱落现象。传统的改善方法尚未有效解决寒冷地区水泥基材料性能劣化问题，寻找新的防护方法具有重要意义。

3、例如公开号为cn105131830a的中国发明专利公开了一种长效纳米疏水涂料组合物及其制备方法，其包括按一定重量百分数配比的如下组分：含氟氯硅烷、纳米二氧化硅、聚有机硅氧烷、稀土盐、成膜剂、醇类溶剂。该制备方法为：将所述纳米二氧化硅溶胶30～70℃下加入含氟氯硅烷、聚有机硅氧烷、稀土盐和成膜剂，混合反应后，即得到所述长效纳米疏水涂料。该涂料使用方便，在清洁干燥的玻璃表面喷洒本发明涂料后，再用干布将涂料擦均匀，即在玻璃表面形成一层透明的纳米疏水涂层，具有强烈的拒水效果；一次擦拭后有效时间可达3个月以上，且玻璃变得更清澈透亮。但该涂料组分针对玻璃应用而设计，用于水泥基材料时渗透性不足，且其制备需要采用有机溶剂，成本较高并且对环境可能存在不利影响。

4、公开号为cn113292896a的中国发明专利则提供了一种涂料用罩光面漆，质量份数组成如下：抗碱乳液47～60份、硅溶胶0～30份、杀菌剂0.5～1份、润湿剂0.5～1份、成膜助剂2～4份、消泡剂0.5～1份、增稠剂0.5～1份、去离子水15～40份、疏水剂1～2份。该发明中的罩光面漆能够完全克服现有市场中罩光面漆存在的耐水、耐候性差、时间长易变黄等缺点。该涂料采用去离子水为溶剂，配合助剂形成涂料，利用碱性硅溶胶增加涂料的粘结力，增强涂料的硬度。但其硬度增加会导致脆性提升，在反复冻融循环下受到冰晶膨胀挤压，导致破损、脱落，难以满足寒冷地区的应用需求。

5、因此，需要针对寒冷地区研究一种水泥基超疏水涂料，利用涂料的超疏水性能，使得冰雪在水泥基材料表面难以形成稳定的附着，从而实现高效除冰的效果，降低建筑物维护成本。同时，通过有效防止水分在材料表面的附着和渗透，在源头上减少了水分进入水泥基材料内部的可能性，提高了整体的抗冻融性能，对综合提升水泥基材料在寒冷环境中的耐久性与安全性具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种具有防冻抗冰特性、使用简单、环保无污染的水泥基超疏水涂料，其原料包括如下质量百分比的组分：

2、丙基三甲氧基硅烷12％～16％，端羟基聚二甲基硅氧烷3％～5％，碱性硅溶胶30％～35％，去离子水47％～52％；以上各组分配比总和为100％。

3、优选的，所述碱性硅溶胶由质量分数为25％～30％的纳米二氧化硅组成，平均粒径为20～30nm，ph为10～12。

4、在本发明的第二方面，提供了一种工艺简捷、高效的水泥基超疏水涂料的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)将配比量的丙基三甲氧基硅烷、端羟基聚二甲基硅氧烷、碱性硅溶胶和去离子水混合，得到原料混合物；

6、(2)在一定温度及转速下对原料混合物进行搅拌处理，得到水泥基超疏水涂料。

7、优选的，所述步骤(2)中，所述温度为28～32℃。

8、优选的，所述步骤(2)中，所述搅拌处理的速率为750～1000rpm。

9、优选的，所述步骤(2)中，所述搅拌处理的时长为3～4.5h。

10、制备工艺中，反应的温度与转速会首先影响硅氧烷的水解程度，水解程度不同，生成的羟基数量不同。完全水解时一个硅氧烷分子会带有三个羟基(水解产物为硅醇)，方便后续发生脱水缩合反应。此外，温度和转速会影响硅醇和聚硅氧烷与硅溶胶的反应程度，进而影响后续两级结构的形成。因此，为获得本发明设计所需的结构，制备参数需要控制在特定的范围内。如果不在这个设置范围进行涂料制备，可能导致无法形成后续的两级结构，也可能导致涂料中羟基数量太少，与基底的连接力减弱。

11、此外，原料刚混合时存在聚硅氧烷浮在上层的现象，但经过一定时间的高速搅拌后，原料发生反应，此类现象便会消失。长期保存条件下，本发明虽采用了疏水组分，但生成的涂料不是油水混合两相体系，不会出现分层现象。这是因为控制了反应的原料配比、温度、时间和转速，使得硅氧烷完全水解并与聚硅氧烷、硅溶胶中的纳米二氧化硅反应形成稳定连接，从而获得一个稳定的产物。如在建议制备条件的范围外反应，将会出现产物分层不稳定的情况。

12、在本发明的第三方面，提供了本发明第一方面的水泥基超疏水涂料或第二方面的方法制备的水泥基超疏水涂料的应用，具体是将其作为涂层材料在提高水泥基材料的抗冻融性能中的应用。

13、优选的，所述应用的具体操作如下：将水泥基超疏水涂料涂布于水泥基材料表面，常温下固化并通过自组装形成抗冻融超疏水涂层。

14、作为一种水基涂料，本发明的水泥基超疏水涂料具有固化短的优点。例如在实际使用中，仅需24h就能固化完全。这可能是因为制备生成的涂料仍带有一些水解后的羟基，这些羟基反应活性大，会吸引水化产物中例如氢氧化钙中ca2+周围的oh-发生脱水缩合反应，配比设计后的-oh携带数量可能比较合适，促使反应发生比较快速且完全，反应后形成连接进而固化。

15、本发明采用的有机硅材料具有良好的透气性，固化后在水泥基材料表面构建的超疏水结构不是完全封闭的，这种保护结构不会阻塞材料的毛细孔，保持材料整体的透气性，避免传统有机防护涂料的鼓包开裂现象。

16、基于以上技术方案，本发明的构思在于，水基环境下以设计比例的丙基三甲氧基硅烷、端羟基聚二甲基硅氧烷及碱性硅溶胶为主体原料。在制备超疏水涂料的过程中，丙基三甲氧基硅烷的含氢官能团会在水中水解生成硅醇，硅醇与端羟基聚二甲基硅氧烷将与来自硅溶胶的-oh发生反应，对纳米二氧化硅颗粒起到分散固定的作用。通过设计反应物的配合比，在涂料涂刷到水泥基材料表面后，部分纳米二氧化硅将会形成局部团聚，形成两级粗糙结构，提高后续超疏水结构内空气层的稳定性。同时，硅烷醇和端羟基聚二甲基硅氧烷会与水化产物，例如硅酸钙水合物和氢氧化钙等的-oh发生反应，将超疏水结构稳固地连接到水泥基材料表面。材料表面的两级超疏水结构会在涂刷后通过脱水缩合反应自发形成，使用简易无需复杂设备。

17、本发明的超疏水涂层可以赋予水泥基材料优异的防水性。当涂层接触到水后，水会对超疏水结构产生水压力并逐渐进入，两种分级粗糙的微观结构可以减缓气垫结构中空气的逸出，并延长超疏水表面上从wenzel态到cassie-baxter态的过渡过程。疏水的低表面能基团与这种双粗糙结构协同作用降低了涂刷后水泥基材料的吸水率。

18、超疏水涂层可以显著降低水泥基材料表面附近的孔隙率，减少了有害孔的数量，增加了无害孔的数量。这种大于100nm的有害孔隙的数量对水泥基材料的抗冻融性有直接影响，因为它们是水或其他液体渗透的有效途径和储存空间。同时，双粗糙结构可以显著降低水泥基材料的吸水率，防止水大量渗入材料内部。两种特性综合限制了水泥基材料冻融过程中冰晶的形成与扩展，有效减弱了结冰和随后膨胀造成的损害。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

20、本发明提供了一种水泥基超疏水涂料，具有良好的渗透性与透气性，超疏水性能优异；涂料整体无毒环保，具有防冻抗冰特性，可降低冰与水泥基底材料的粘结力，提高除冰效率。

21、本发明提供了一种水泥基超疏水涂料的制备方法，工艺流程无需复杂的设备，具有简捷、高效的优点。

22、本发明提供了一种水泥基超疏水涂料的应用，其使用简单，可以大幅度减弱冻融循环对水泥基材料的破坏，提高建筑物结构在寒冷地区的耐久性。