专利名称：一种水泥基水性复合纳米硅酸盐无机功能溶胶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水泥基水性复合纳米硅酸盐无机功能溶胶的制备方法，以无机材料的溶胶-凝胶法为主要技术手段，应用技术领域为混凝土地坪、墙体等表面的防护和修 饰，
背景技术：
混凝土地坪是建筑物的重要组成部位，良好的地面装饰能够为人们提供洁净舒适 的生活或工作环境。随着生活水平的提高，水泥的耐用性、持久性、美观性日益受到重视。几 乎所有的建筑物，例如住宅、办公楼、生产车间、公共建筑和医院等都存在着地坪装修的问 题。因而，地坪涂料的性能优劣直接影响到建筑物的使用寿命、外观等指标，一直是建筑行 业关注的焦点问题之一。目前国内市场上拥有自主知识产权的混凝土表面保护涂料还是以有机类为主，有 机涂料寿命短、不抗辐射、不耐热、不环保、强度和硬度有限等诸多因素远远不能满足国内 市场上对优质环保和高性价比涂料的要求，相比之下，无机水性类涂料因为环保、寿命长、 多功能等诸多优点。混凝土地面保护技术中，涂料的有效渗透以及与水泥活性组分的相互作用是实现 涂料防护功能的技术关键。涂料中活性组分的作用不仅仅是物理填充，还和水泥内部有力 的有效成分发生交联的化学反应，生成更加牢固的空间网状结构。混凝土是介观多孔物质， 内部存在游离的CaO等活性组分，只有选择合适的涂料活性成分中使之充分渗透进混凝土 中细小微孔和通路，才能够有效结合混凝土中游离的活性组分，进一步形成交联的空间立 体网状结构，最终起到保护和修饰混凝土的最终目的。水泥材质的性质变化主要和内部有效物质的失活有关。失活造成水泥内部毛细孔 的收缩而起砂、裂缝，故水泥地面保护涂料的关键是如何通过与水泥内部游离的活性组分 进一步反应，有效防止内部活性成分的流失，使其内部更加密实，更长久地保持混凝土的硬 度和强度。由于活性成分的丧失会仪器混凝土的不可逆收缩，当活性充分流失过多时，会形 成内部结构的毛细孔通路，引起渗流，开裂等危害。复合硅酸盐溶胶渗透入混凝土表层，不 仅有效填充混凝土表面的毛细孔通路，同时会促进混凝土进一步水化，使混凝土内部游离 的氧化钙等活性组分充分反应形成新的交联网状结构，从而增强了水泥表面的硬度。混凝土表面防水性能是由化学组成和微观结构共同决定。化学组成结构是内因 低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果。现代研究表明，光滑固体表面接触角 最大为120度左右；表面几何结构对表面防水性能则有重要影响，结构化的疏水表面常常 具有自清洁功能具有微细粗糙结构的表面可以有效地提高疏(亲)水表面的疏(亲)水 性能。当纳米(10-120nm)或者亚微米尺寸(5 9 μ m)的粒子可以在物体表面形成有着阶 层结构的表面粗糙结构，这种结构使得物体表面悬挂处于亚稳态的Cassie状态，具有较高 势垒，甚至可以使亲水材料变为疏水材料。此外，若表面为规则排列的纳米突起，可使其表 面稳定吸附一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁的功能。
纳米SiO2粒子活性高、为非晶态物质，可有效提高水泥浆体致密性和均勻性。从 而提高混凝土的抗渗性和耐磨性。纳米CaCO3可增加C-S-H在界面中的含量，改善C-S-H 的定向排列性能，从而使得界面位置的水化结构由平面排列逐渐向空间结构过渡，所以掺 入一定量的纳米CaCO3有利于改善界面的综合性能。这些纳米粒子在涂料中的含量极少， 表面经一些聚合物包覆形成核壳结构而可以在水性涂料中分散，在水泥中的游离活性成分 和涂料中的超细硅酸盐溶胶水合生成网状结构的同时，这些纳米颗粒均勻分散到网状结构 中，起到了填充、加固以及耐磨等功能化的作用。 硅酸钠(钠水玻璃)应用于混凝土养护剂已广泛应用，目前利主要用于混凝土初 凝时期1 3h内的养护剂，且配方或者组成简单，功能单一，不能够满足市场对大量已成熟 或者正在使用过程中混凝土的防护和美化的需求；或者用量大、使用范围窄等不足，而且不 能增加混凝土的功能性。本发明可以同时应用于新、旧混凝土，用量少，不仅可应用于地面 混凝土，也可应用于混凝土建筑或者构筑物的保护和美化。而且此水泥基复合纳米硅酸盐 保护溶胶可增强混凝土的硬度、耐磨性、光泽性、表面防水抗渗性等功能参数。此水泥基复 合纳米硅酸盐保护溶胶可广泛应用于仓库、桥梁、码头、大坝、高速公路、车间地坪、超市地 坪、停车场等一切以混凝土为基材的场所和建筑物，可以大大延长混凝土基质的使用寿命 至少5 15年。为了有效的填充混凝土中的毛细孔道和通路，本发明通过选择纳米掺杂的复合硅 酸盐溶胶，使其有效渗透填充，并在混凝土内部形成稳固的三维刚性骨架。添加含金属元素 纳米的溶胶_凝胶分散体系，使三维刚性骨架更加坚固，并参与改善混凝土内部结晶，使其 结晶更加密实而有序。同时纳米粒子引起的微细粗糙结构会有效提高混凝土表面和内部的 疏水性。本发明提供一种有效提高混凝土表面硬度、耐磨性、抗渗性，光泽度等多种性能的 复合纳米硅酸盐溶胶及合成复合纳米硅酸盐溶胶的制备方法，其中水泥基复合纳米硅酸盐 溶胶的制备方法为以碱金属硅酸盐为原料，重量比例为25% _50%，边加热搅拌边缓慢滴 加重量比例为0. 5% -6%的甲基硅酸钠，以质量分数为30%的溶液缓慢滴加，滴加速率为 0. 3g/s (秒)，反应温度为25 70°C，反应时间为30-120min。降至常温，加入有机胺类物 质，重量比例为2. 5% -18%常温搅拌时间为30-120min。加入表面改性易分散的纳米Si02、 CaCO3S子，充分搅拌纳米粒子做为弥散相完全分散在溶胶中。加入微量锂酸盐、表面活性 齐U、染料，搅拌时间为60-300min。。缓慢滴加镁酸盐水溶液，加热搅拌使镁离子充分有效交 联在溶胶内，反应温度为25 80°C。反应时间为30-600min。PH值范围控制在9 11。溶 胶合成之后静置60 600分钟，倒入容器中密封，用于混凝土表面涂层。涂层采用滚涂或 喷涂，先简单清洗地面，待清洗的地面完全干后，涂刷涂层在表面，为促进渗透可少量洒水， 涂层七天后湿磨地面以除掉表面结晶，提高硬度和光泽度。采用本发明的复合硅酸盐保护 溶胶保护的混凝土地面具有很高的硬度、耐磨性、抗渗性及耐侯性。
具体实施例方式实施例1取模数为3的硅酸钠20g，加热搅拌至50°C，以0. 3g/s (秒)的速率滴加质量分数 为30%的甲基硅酸钠0. 5g，搅拌60min。降至常温，加入1. 5g三乙醇胺，搅拌30min。加放纳米SiO2, CaCO3粒子，各0. 05g,加入硝酸锂0. Ig,表面活性剂0. OOlg,染料0. 005g,搅拌 360min，至完全分散于溶胶中。以0. 3g/s (秒)的速率滴加质量分数为2 %的醋酸镁水溶 液，在70°C温度下搅拌90min。降至常温，静置600min，倒入容器中密封，用于7天养护后混 凝土表面涂层。7天后混凝土硬度和耐磨擦性明显提高。实施例2 取模数为3的硅酸钠10g，模数为3的硅酸钾10g，加热搅拌至40°C，以0.3g/ s (秒)的速率滴加质量分数为30%的甲基硅酸钠lg，搅拌60min。降至常温，加入2g三乙 胺，搅拌30min。加放纳米SiO2O. 05g,加入碳酸锂0. 15g，表面活性剂0. 003g,染料0. 005g, 搅拌600min，至完全分散于溶胶中。以0.3g/s (秒)的速率滴加质量分数为4%的氯化镁 水溶液，在55°C温度下搅拌90min。降至常温，静置600min，倒入容器中密封，用于28天差 护后的混凝土表面涂层。10天后混凝土硬度和耐磨擦性明显提高。实施例3取模数为3的硅酸钠10g，模数为5的硅酸锂10g，加热搅拌至50°C，以0. 3g/ s(秒)的速率滴加质量分数为30%的甲基硅酸钠1.5g，搅拌60min。降至常温，加入2g 二 异丙胺，搅拌30min。加入纳米CaCO3O. 05g,加入碳酸锂0. 15g，表面活性剂0. 003g,染料 0.005g，搅拌600min，至完全分散于溶胶中。以0. 3g/s (秒)的速率滴加质量分数为5%的 醋酸镁水溶液，在55°C温度下搅拌150min。降至常温，静置600min，倒入容器中密封，用于 修建后二十年的混凝土表面涂层。3天后混凝土硬度和耐磨擦性明显提高。7天后湿磨，效 果更加显著。
权利要求
一种水泥基复合纳米硅酸盐功能性保护溶胶的制备方法，其特征在于以碱金属硅酸盐为原料，边加热搅拌边缓慢滴加甲基硅酸钠，搅拌一定时间，降至常温，加入有机胺类物质，常温搅拌使其充分交联反应。经表面改性处理易分散于水的纳米SiO2、CaCO3等粒子，充分搅拌纳米粒子做为弥散相完全分散在溶胶中。加入微量锂酸盐、表面活性剂、染料，搅拌使其充分分散于溶胶中。缓慢滴加镁酸盐水溶液，加热搅拌使镁离子充分有效交联在溶胶内。涂层刷涂于混凝土表面后，不仅在表面形成致密的防水层，而且渗透入混凝土表层填充混凝土毛细孔道，影响混凝土水化和内部结晶。从而提高混凝土的硬度、耐磨性等。
2.根据权利1所描述的功能性保护溶胶，可广泛应用于仓库、桥梁、码头、高速公路、工 业厂房、超市地坪、停车场等一切以混凝土为基材的场所和建筑或者构筑物。
3.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于原材料碱金属硅酸盐为硅酸钠、硅 酸钾、硅酸锂或其复合，其中模数Si/M为(M = Na\Ka\Li)2-5之间。碱金属硅酸盐的重量 比例为25% -50% ο
4.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于胺类物质为甲胺、乙胺、二甲胺、二 异丙胺、三甲胺、三乙醇胺、四乙醇胺、二甲基二乙醇铵、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、 四乙醇基氢氧化铵中的一种或其混合物。胺类物质的重量比例为2. 5% -18%。
5.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于甲基硅酸钠的重量比例为 0. 5% _6%，并以质量分数为30%的溶液缓慢滴加，滴加速率为0. 3g/s (秒)。
6.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于纳米Si02、CaC03粒子经表面改性， 可有效分散于碱性溶胶中，重量比例都为0. 01% -0. 5%。粒径为2nm-60nm。
7.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于锂酸盐为硝酸锂、亚硝酸锂、碳酸 锂、硫酸锂中的一种，重量比例为0.01% -0. 5%0
8.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于表面活性剂为非离子型聚氨酯高 分子表面活性剂、阳离子或者嵌段共聚物混合表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂中的一种， 重量比例为0.01%-0.5%。
9.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于染料在碱性环境中稳定存在，具体 品种和颜色不计，目的制备不同颜色的混凝土功能保护溶胶_凝胶涂层，染料重量比例为 0. 01% -10%。
10.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于镁酸盐为醋酸镁、氯化镁、碳酸 镁的一种，质量溶液质量分数为0. -5%之间，逐滴滴加入溶胶中，滴加速率为0. 3g/ s(秒)。
11.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于加入甲基硅酸钠反应温度为 25 70°C。反应时间为30-120min。
12.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于加入镁酸盐溶夜时反应温度为 25 80°C。反应时间为30-600min。
13.根据权利要求1所描述的制备方法，其特征在于将保护溶胶均勻涂刷于混凝土表 面，每公斤养护剂喷洒面积为3 10平方米，具体用量视混凝土表面的状况决定。
14.根据权利要求1所描述的制备方法，溶胶在涂刷后，需洒适量水保持湿润以促进渗 透。养护时间为2h，7天后需湿磨地面，以除去表面结晶物，从而进一步提高表面光泽、硬度寸。
全文摘要
本发明提供了一种水泥基水性复合纳米硅酸盐功能溶胶的制备方法，主要特征是以碱金属硅酸盐为原料，加热搅拌并缓慢滴加甲基硅酸钠；搅拌一定时间，降至常温，加入有机胺类物质，搅拌使其充分交联反应。加入表面改性的SiO2、CaCO3等纳米粒子，充分搅拌使纳米粒子做为弥散相完全分散在溶胶中。加入各种功能性助剂，搅拌使其充分分散于溶胶中。缓慢滴加镁酸盐水溶液，加热搅拌使镁离子有效交联在溶胶内。涂层刷涂于混凝土表面，具有良好成膜性能，在表面形成致密的防水层；而且渗透入混凝土表层填充混凝土毛细孔道，促进混凝土水化和内部结晶。从而提高混凝土的硬度、耐磨性等。本方法制备工艺简单，环保无污染，便于放大，可大规模生产。
文档编号C04B28/26GK101955348SQ20091010862
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者候宏然, 李斌, 罗仲宽, 邱琦, 郭苹 申请人:深圳市博兆科技有限公司