一种石墨烯改性混凝土表面防护材料

本发明涉及水性环保涂料，具体涉及一种石墨烯改性混凝土表面防护材料、涂层及其制备方法。

背景技术：

1、水泥基材料在国家基础建设和重大工程中发挥极为重要作用。大坝工程具有高水头、高泄洪量、高泄流速度特点。混凝土材料由于长期暴露于自然环境中，空气中有害物质会使其表面产生碳化、微生物侵蚀及污染等现象，使得混凝土的耐久性和美观受到严重影响。因此，针对混凝土材料表面开展防护材料的研发具有迫切需求。现有混凝土表面防护材料主要为有机聚合物涂层，包括环氧类、丙烯酸类及硅烷类等，存在材料成本高、户外耐老化性能低、耐腐蚀性差、维护成本高，且与水泥基材料界面结合力差等问题，易受水流冲击而与混凝土基体分离、难以实现与建筑结构同寿命。

2、石墨烯-水泥基复合材料的制备在近几年已成为科学研究与应用的热点。但目前石墨烯与混凝土间的低相容性仍是石墨烯-水泥基材料制备、应用和产业化发展的国内外焦点问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种石墨烯改性混凝土表面防护材料、涂层及其制备方法，该表面防护材料用于混凝土制件表面时，可以提高其力学性能，抗腐蚀性，延长混凝土制件的使用寿命。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种石墨烯改性混凝土表面防护材料，包括分开保存的内层涂料和改性石墨烯，所述内层涂料为将无机纳米粒子和石墨烯分散在水泥中并加入消泡剂消泡得到，所述改性石墨烯为石墨烯经二氧化硅微球、扩链剂、无机纳米粒子和水制备成的改性剂进行表面改性得到。

4、具体的，先将二氧化硅微球与扩链剂加入水中进行缩聚组装，然后加入无机纳米粒子混合均匀，二氧化硅微球与扩链剂之间通过氢键进行组装，然后与无机纳米粒子之间通过氢键组装形成改性剂，改性剂对石墨烯表面进行改性，将无机纳米粒子接枝在石墨烯表面，实现力学性能增强的同时可以高效阻隔腐蚀性有害物质的渗透。

5、按上述方案，所述内层涂料中无机粒子、石墨烯、水泥和消泡剂的质量比为20~60：0.1~1：100：0.1~0.3。

6、按上述方案，所述改性石墨烯中石墨烯的用量为改性剂的10 wt%~100 wt%,所述改性剂中二氧化硅微球、扩链剂和无机纳米粒子的质量比为20~60：10~30:100，所述无机纳米粒子在改性剂中的质量分数为10~30%。

7、按上述方案，所述二氧化硅微球的粒径为0.1-0.5 μm，所述扩链剂是羟基封端的聚二甲基硅氧烷、甲基苯基二乙氧基硅烷或苯基三乙氧基硅烷。

8、按上述方案，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种，所述无机纳米粒子为蒙脱土、凹凸棒土、tio2或al2o3中的一种或多种。

9、第二方面，本发明提供了上述石墨烯改性混凝土表面防护材料制备而成的石墨烯改性混凝土表面防护涂层，包括内涂层和外涂层，所述内涂层由所述内层涂料涂覆在混凝土制件表面得到，所述外涂层由所述改性石墨烯喷涂在内涂层上得到。

10、进一步，所述内涂层的厚度为0.2~0.6 mm，所述外涂层的厚度为0.4~0.6 mm。

11、第三方面，本发明提供了上述石墨烯改性混凝土表面防护涂层的制备方法，包括如下步骤：

12、s1.将二氧化硅微球与扩链剂在水中缩聚组装，加入无机纳米粒子混合均匀，得到改性剂；

13、s2.将改性剂与石墨烯混合，恒温水浴搅拌，超声分散，得到改性石墨烯；

14、s3.将无机纳米粒子与石墨烯于水中超声分散，加入水泥搅拌，然后加入消泡剂静置消泡，得到内层涂料；

15、s4.将内层涂料涂覆于混凝土制件表面，待其半干时，喷涂改性石墨烯，固化后即得到所述石墨烯改性混凝土表面防护涂层。

16、按上述方案，步骤s1中反应温度为40~80 ℃，二氧化硅微球与扩链剂缩聚组装的时间为1~2 h，加入无机纳米粒子后反应的时间为2~3 h，步骤s2中反应时间为20~40 ℃，反应时间为1~3 h。

17、按上述方案，步骤s4中喷涂时间4~6 s，喷枪移动速度20~30 cm/s，喷枪口径180~220 mm，喷涂厚度控制在0.4~0.6 mm，用量约为0.98~1.06 l/m2。

18、通过改性剂对石墨烯改性制得改性石墨烯，扩链剂作为“桥梁”使二氧化硅微球与无机纳米粒子间形成牢固的化学结合，无机纳米粒子通过与石墨烯表面的含氧官能团形成氢键吸附沉积于其表面，二氧化硅微球和无机纳米粒子共同组成物理屏障，增大石墨烯层间距，防止其絮凝团聚。同时，纳米粒子的片层阻隔效应有效抑制石墨烯高碱条件下的脱氧与去质子化，防止涂层外层的石墨烯与外界有害离子间形成交联被破坏，延长涂层的使用寿命。同时，二氧化硅微球形成三维立体结构，起到协同增强效果，包覆在石墨烯薄片上，形成许多曲折的薄片，可以阻隔腐蚀介质与基体接触，从而缓解了腐蚀介质对基体的侵蚀。

19、内涂层的水泥与混凝土制件基体材料间界面相容性良好，能够长期紧密附着于制件表面，内涂层与外涂层通过石墨烯表面的-coo-与无机纳米粒子层间的na+静电吸附作用及石墨烯片层间的范德华力相结合，以维持涂层结构的稳定性。

20、相较于现有技术，本发明的石墨烯改性混凝土表面防护材料、涂层具有以下有益效果：

21、1、本发明的防护涂层采用层状结构设计思路，内涂层可以起到提供强度、增大涂层附着力的作用，外涂层通过改性石墨烯平行取向分布、层叠堆叠，形成石墨烯致密层叠取向结构，可以提高涂层的防护性能，有效阻止腐蚀性物质的侵蚀，延长混凝土制件的使用寿命，同时在垂直于取向方向上达到增强的效果；

22、2、外涂层的改性石墨烯通过将无机纳米粒子接枝于石墨烯的表面，实现力学性能增强的同时高效阻隔腐蚀性等有害物质的渗透，延长了混凝土制件的使用寿命；

23、3、本发明的防护涂层机械稳定性和化学稳定性优异，可广泛应用于航空航天、石油化工、海洋船舶等领域，延长混凝土建筑的服役寿命，降低维护保养费用。

技术特征：

1.一种石墨烯改性混凝土表面防护材料，其特征在于，包括分开保存的内层涂料和改性石墨烯，所述内层涂料为将无机纳米粒子和石墨烯分散在水泥中并加入消泡剂消泡得到，所述改性石墨烯为石墨烯经二氧化硅微球、扩链剂、无机纳米粒子和水制备成的改性剂进行表面改性得到。

2.根据权利要求1所述的石墨烯改性混凝土表面防护涂层，其特征在于， 所述内层涂料中无机粒子、石墨烯、水泥和消泡剂的质量比为20~60：0.1~1：100：0.1~0.3。

3.根据权利要求1所述的石墨烯改性混凝土表面防护涂层，其特征在于，所述改性石墨烯中石墨烯的用量为改性剂的10 wt%~100 wt%,所述改性剂中二氧化硅微球、扩链剂、无机纳米粒子的质量比为20~60：10~30:100，所述无机纳米粒子在改性剂中的质量分数为10~30%。

4.根据权利要求3所述的石墨烯改性混凝土表面防护材料，其特征在于，所述二氧化硅微球的粒径为0.1-0.5 μm，所述扩链剂是羟基封端的聚二甲基硅氧烷、甲基苯基二乙氧基硅烷或苯基三乙氧基硅烷。

5.根据权利要求1~4任一项所述的石墨烯改性混凝土表面防护材料，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种，所述无机纳米粒子为蒙脱土、凹凸棒土、tio2或al2o3中的一种或多种。

6.一种石墨烯改性混凝土表面防护涂层，其特征在于，由权利要求1~5任一项所述的石墨烯改性混凝土表面防护材料制备而成，包括内涂层和外涂层，所述内涂层由所述内层涂料涂覆在混凝土制件表面得到，所述外涂层由所述改性石墨烯喷涂在内涂层上得到。

7.根据权利要求6所述的石墨烯改性混凝土表面防护涂层，其特征在于，所述内涂层的厚度为0.2~0.6 mm，所述外涂层的厚度为0.4~0.6 mm。

8.如权利要求6或7所述的石墨烯改性混凝土表面防护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中反应温度为40~80 ℃，二氧化硅微球与扩链剂缩聚组装的时间为1~2 h，加入无机纳米粒子后反应的时间为2~3 h，步骤s2中反应温度为20~40 ℃，反应时间为1~3 h。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中喷涂时间4~6s，喷枪移动速度20~30 cm/s，喷枪口径180~220 mm，喷涂厚度控制在0.4~0.6 mm，用量约为0.98~1.06 l/m2。

技术总结本发明提供了一种石墨烯改性混凝土表面防护材料，包括分开保存的内层涂料和改性石墨烯，所述内层涂料为将无机纳米粒子和石墨烯分散在水泥中并加入消泡剂消泡得到，所述改性石墨烯为石墨烯经二氧化硅微球、扩链剂、无机纳米粒子和水制备成的改性剂进行表面改性得到。该表面防护材料用于混凝土制件表面时，可以提高其力学性能，抗腐蚀性，延长混凝土制件的使用寿命。技术研发人员：黄健,卢建华,漆天奇,吕若昀,匡豪,胡海龙受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20