本发明涉及建筑物表面涂层技术领域，尤其涉及一种氧化铝溶胶-硅烷复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
建筑外表面涂层是提高建筑物耐久性的重要措施之一。目前，常用的建筑外表面涂层一般分为两种，表面涂覆型和表面渗透型。
表面涂覆型涂层是在建筑外表面形成一层覆盖型涂层，封闭建筑物表面的孔洞、裂缝等，从而阻止水分或侵蚀性物质进入到建筑材料内部，但是，同时也阻塞了建筑材料内部的水分蒸发，常引起涂层表面的起泡、开裂等现象，影响建筑物外观和耐久性。表面渗透型涂层能够渗透到建筑材料内部3～5mm，在该区域形成憎水涂层，不会影响建筑物外观，受到了工程人员的普遍重视。
但是，表面渗透型涂层很难阻止水分通过建筑材料表面裂缝进入建筑材料内部，而且渗透型涂层的抗腐蚀性能较差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种氧化铝溶胶-硅烷复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料具有良好的防水性能和抗腐蚀性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氧化铝溶胶-硅烷复合材料，以重量份计，由包括以下组分的原料制备得到：氧化铝溶胶5～45份、硅烷30～90份、硅烷偶联剂3～10份和分散剂1～5份。
优选的，所述氧化铝溶胶的粒径为100～500nm。
优选的，所述氧化铝溶胶的制备方法包括由异丙醇铝依次经过水解和聚合得到。
优选的，所述硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
优选的，所述硅烷偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、n-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷、n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
优选的，所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇和丙三醇中的一种或多种。
本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铝溶胶与硅烷偶联剂混合，得到第一混合液；
(2)将硅烷、硅烷偶联剂与分散剂混合，得到第二混合液；
(3)将所述第一混合液与所述第二混合液混合，得到氧化铝溶胶-硅烷复合材料；
所述步骤(3)的混合在恒温条件下进行，所述混合的温度为60～80℃；
所述步骤(1)和所述步骤(2)没有时间先后顺序。
优选的，所述步骤(3)的混合方式为：将所述第一混合液滴加到第二混合液中或将所述第二混合液滴加到第一混合液中。
优选的，所述步骤(1)中硅烷偶联剂的质量为步骤(1)和步骤(2)硅烷偶联剂总质量的50％～70％。
本发明另提供了上述技术方案所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化铝溶胶-硅烷复合材料在建筑涂层中的应用。
本发明提供了一种氧化铝溶胶-硅烷复合材料，以重量份计，由包括以下组分的原料制备得到：氧化铝溶胶5～45份、硅烷30～90份、硅烷偶联剂3～10份和分散剂1～5份。本发明所述氧化铝溶胶与硅烷在硅烷偶联剂的作用下，发生化学反应结合到一起，配合分散剂得到了分散均匀、具有良好防水和抗腐蚀性能的氧化铝溶胶-硅烷复合材料。实施例结果表明，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料涂覆到水泥基材表面后，水泥基材料毛细吸水系数仅为28g·m-2·h-1～55g·m-2·h-1，而未做涂层处理的水泥基材料毛细吸水系数高达118.6g·m-2·h-1；本发明对水的静态接触角可达到120°以上，而未做涂层处理的水泥基材料对水的静态接触角仅为50°；本发明水泥基材料氯离子扩散系数为0.8×10-12m2·s-1～5.4×10-12m2·s-1，未做涂层处理的水泥基材料氯离子扩散系数为7.5×10-11m2·s-1，说明本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料在水泥基材料表面形成涂层后具有疏水、抗腐蚀的特性。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化铝溶胶-硅烷复合材料，以重量份计，由包括以下组分的原料制备得到：氧化铝溶胶5～45份、硅烷30～90份、硅烷偶联剂3～10份和分散剂1～5份。
以重量份计，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备原料包括5～45份的氧化铝溶胶，优选为5～25份，进一步优选为15～25份。在本发明中，所述氧化铝溶胶的粒径优选为100～500nm，进一步优选为200～400nm。本发明所述氧化铝溶胶的粒径有利于提高最终氧化铝溶胶-硅烷复合材料的防水性和抗腐蚀性。本发明所述氧化铝溶胶优选由异丙醇铝依次经过水解和聚合得到；所述异丙醇铝优选以异丙醇铝乙醇溶液的形式提供，所述异丙醇铝乙醇溶液的制备方式优选为将异丙醇铝和乙醇超声分散混合均匀，得到异丙醇铝乙醇溶液；所述异丙醇铝和乙醇的质量比优选为1:3～1:10；进一步优选为1:3～1:7。
本发明优选将所述异丙醇铝乙醇溶液在搅拌条件下滴加到蒸馏水中进行水解，得到水解产物。在本发明中，所述水解优选在恒温条件下进行，所述水解的温度优选为35～60℃，进一步优选为45℃。在本发明中，所述搅拌的速率优选为1500～3500r/min，进一步优选为2000r/min；所述滴加的速度优选为2～10ml/min；滴加完成后，本发明优选将混合料液继续搅拌1～2h，然后在45～75℃恒温条件下静置24h，得到水解产物。在本发明中，所述蒸馏水与异丙醇铝的质量比优选为1:2～1:5。
得到水解产物后，本发明对所述水解产物进行聚合，得到氧化铝溶胶；本发明进一步优选将所述水解产物加入到硝酸溶液中进行聚合，得到氧化铝溶胶。在本发明中，所述聚合优选在恒温条件下进行，所述聚合的温度优选为40～70℃，进一步优选为50℃；所述硝酸溶液的浓度优选为0.5mol/l～3mol/l，进一步优选为1mol/l～1.5mol/l；所述硝酸溶液的用量优选为水解产物质量的5％～30％，进一步优选为10％～15％；加入完成后，本发明优选继续搅拌1～10小时。
本发明通过控制水解和聚合反应的条件，得到的氧化铝溶胶的粒径为100～500nm。本发明对所述异丙醇铝、乙醇、蒸馏水和硝酸溶液的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的异丙醇铝、乙醇、蒸馏水和硝酸溶液即可。
以氧化铝溶胶的重量份为基准，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备原料包括30～90份的硅烷，优选为30～70份，进一步优选为50～70份。在本发明中，所述硅烷优选为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷中的一种或多种。本发明对所述硅烷的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的硅烷即可，具体的如市售商品。
以氧化铝溶胶的重量份为基准，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料的质量原料包括3～10份的硅烷偶联剂，优选为3～8份。在本发明中，所述硅烷偶联剂优选为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、n-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷、n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或多种。本发明对所述硅烷偶联剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售硅烷偶联剂即可。
以氧化铝溶胶的重量份为基准，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备原料包括1～5份的分散剂，优选为2～4份。在本发明中，所述分散剂优选为十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇和丙三醇中的一种或多种。本发明对所述分散剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的分散剂即可。
本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铝溶胶与硅烷偶联剂混合，得到第一混合液；
(2)将硅烷、硅烷偶联剂与分散剂混合，得到第二混合液；
(3)将所述第一混合液与第二混合液混合，得到氧化铝溶胶-硅烷复合材料；
所述步骤(3)的混合在恒温条件下进行，所述混合的温度为60～80℃；
所述步骤(1)和所述步骤(2)没有时间先后顺序。
本发明将氧化铝溶胶与硅烷偶联剂混合，得到第一混合液。在本发明中，所述混合优选在恒温条件下进行，所述混合的温度优选为35～75℃，进一步优选为40℃。本发明所述混合优选为搅拌混合，本发明对所述搅拌混合的速率和时间没有特殊要求，能够达到混合均匀的效果即可。
本发明将硅烷、硅烷偶联剂与分散剂混合，得到第二混合液。在本发明中，所述混合优选在恒温条件下进行，所述混合的温度优选为40～70℃，进一步优选为50℃。本发明所述混合优选为搅拌混合，本发明对所述搅拌混合的速率和时间没有特殊要求，能够达到混合均匀的效果即可。本发明在所述第一混合液制备过程中，所述硅烷偶联剂的质量优选为第一混合液和第二混合液制备过程中硅烷偶联剂总质量的20～70％，进一步优选为50～70％。
本发明对所述第一混合液和第二混合液的制备没有时间先后顺序。本发明先制备第一混合液还是先制备第二混合液对所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料的制备没有影响。
得到第一混合液和第二混合液后，本发明将所述第一混合液与第二混合液混合，得到氧化铝溶胶-硅烷复合材料。在本发明中，所述混合在恒温条件下进行，所述混合的温度为60～80℃，优选为70℃。在本发明中，所述第一混合液和第二混合液的混合前，本发明优选将所述第二混合液静置24小时；所述静置优选在恒温条件下进行，所述静置的温度优选为40～70℃，进一步优选为50℃。本发明所述静置能够使第二混合液更加均匀。本发明所述混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率优选为2000～5000r/min，进一步优选为3000～4000r/min。在本发明中，所述混合的方式优选采用滴加的方式，将第一混合液滴加到第二混合液中，或将第二混合液滴加到第一混合液中。本发明所述滴加的速度优选为2～10ml/min，所述滴加有利于硅烷与氧化铝溶胶充分均匀反应，避免局部的快速反应造成产物不均匀。
本发明另提供了上述技术方案所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化铝溶胶-硅烷复合材料在建筑涂层中的应用。本发明对所述应用的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的实施方式即可。在本发明中，所述应用具体为：将所述氧化铝溶胶-硅烷复合材料涂覆到建筑基体表面，涂覆次数为2～5次，每次用量为200～300g/m2；涂覆结束后，在建筑基体表面覆盖塑料膜，覆盖3～7天，去除塑料膜，得到具有防水和抗腐蚀性能的涂层。本发明对所述涂覆的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的涂覆方式即可，具体的如喷涂、辊涂或刷涂。
下面结合实施例对本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
氧化铝溶胶的制备
(1)以重量份计，将1份异丙醇铝和5份乙醇通过超声分散混合均匀，得到异丙醇铝乙醇溶液；
(2)将三颈烧瓶中加入3份蒸馏水放置在恒温水浴锅中，在2000r/min的转速下匀速搅拌，然后滴加异丙醇铝乙醇溶液，在45℃恒温下，2500r/min匀速搅拌1小时；然后将瓶塞取下，60℃恒温条件下敞口搅拌1小时，得到水解产物；
(3)在水解产物中加入1份硝酸溶液，50℃恒温下，搅拌2小时，得到氧化铝溶胶。
以下实施例均采用上述方法制备得到的氧化铝溶胶作为原料。
实施例1
以重量份计，将15份氧化铝溶胶与1份γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷在50℃的温度下搅拌混合，形成第一混合液；
将75份异丁基三乙氧基硅烷、4份γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷与5份聚乙二醇2000在60℃的温度下搅拌混合形成第二混合液，将第二混合液在60℃温度下静置24h，然后，在60℃恒温，3000r/min的转速下，将第二混合液滴加第一混合液中，得到氧化铝溶胶-硅烷复合乳液。
采用喷涂的方式在混凝土基体表面喷涂两次氧化铝溶胶-硅烷复合乳液，共涂覆600g/m2；涂覆结束后，在基体表面覆盖塑料膜，覆盖7天后，揭掉塑料膜。经测试，混凝土表面接触角达到128°，毛细吸水系数为50.3g·m-2·h-1，氯离子扩散系数为5.0×10-12m2·s-1。
实施例2
以重量份计，将20份氧化铝溶胶与3份γ-氨丙基三乙氧基硅烷在40℃的温度下搅拌混合形成第一混合液；
将70份辛基三乙氧基硅烷、3份γ-氨丙基三乙氧基硅烷与4份聚乙烯醇1750在50℃的温度下搅拌混合形成第二混合液，将第二混合液在50℃温度下静置24h，然后，在70℃恒温下，3000r/min的转速下，将第二混合液滴加第一混合液中，得到氧化铝溶胶-硅烷复合乳液。
采用喷涂的方式在混凝土基体表面喷涂三次氧化铝溶胶-硅烷复合乳液，共涂覆400g/m2；涂覆结束后，在基体表面覆盖塑料膜，覆盖4天后，揭掉塑料膜。经测试，混凝土表面接触角达到137°，毛细吸水系数为31.3g·m-2·h-1，氯离子扩散系数为2.0×10-12m2·s-1。
实施例3
以重量份计，将40份氧化铝溶胶与5份n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷在40℃的温度下搅拌混合形成第一混合液；
将50份乙烯基三乙氧基硅烷、3份n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷与2份丙三醇在40℃的温度下搅拌混合形成第二混合液，将第二混合液在40℃温度下静置24h，然后，在60℃恒温下，3000r/min的转速下，将第二混合液滴加第一混合液中，得到氧化铝溶胶-硅烷复合乳液。
采用刷涂的方式在混凝土基体表面涂覆四次氧化铝溶胶-硅烷复合乳液，共涂覆800g/m2；涂覆结束后，在基体表面覆盖塑料膜，覆盖5天后，揭掉塑料膜。经测试，混凝土表面接触角达到127°，毛细吸水系数为49.3g·m-2·h-1，氯离子扩散系数为1.0×10-12m2·s-1。
对比例
对未做涂层处理的水泥基材料进行性能测试，经测试，未做涂层处理的水泥基材料毛细吸水系数高达118.6g·m-2·h-1；对水的静态接触角为50°；氯离子扩散系数为7.5×10-11m2·s-1。
由以上实施例和对比例可知，本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料涂覆到水泥基材表面后，水泥基材料毛细吸水系数仅为28g·m-2·h-1～55g·m-2·h-1，而未做涂层处理的水泥基材料毛细吸水系数高达118.6g·m-2·h-1；本发明对水的静态接触角可达到120°以上，而未做涂层处理的水泥基材料对水的静态接触角仅为50°；本发明水泥基材料氯离子扩散系数仅为0.8×10-12m2·s-1～5.4×10-12m2·s-1，而未做涂层处理的相同水泥基材料的氯离子扩散系数为7.5×10-11m2·s-1，说明本发明提供的氧化铝溶胶-硅烷复合材料在水泥基材料表面形成涂层后具有疏水、抗腐蚀的特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。