一种硅烷乳液建筑防水剂的制备方法与流程

本发明涉及一种硅烷乳液建筑防水剂的制备方法

背景技术：

混凝土是当今应用最广的建筑材料，但是很多混凝土由于腐蚀而导致失效，在腐蚀过程中水起着很重要的作用，特别是沿海地区的混凝土材料，水份侵入混凝土结构内部，使其因受到腐蚀而导致失效。传统的成模型混凝土表面防护涂料通过覆盖在混凝土表面堵塞混凝土孔隙，达到阻止外界水分入侵的目的，其缺点是内部水分排出时，会破坏表面涂层，导致涂层失效，并且不能保证混凝土材料本身具有的透气性。

硅烷是一种高渗透型防水材料，可以喷涂在混凝土表面，可提高混凝土的防水、防污、防尘、防腐蚀、抗风化和耐久性能。因为硅烷具有很低的表面张力，所以它的扩展能力很强，涂在多孔的混凝土基材表面上时，硅烷可以渗透到微孔的壁上形成薄膜，将疏水基团漏在材料表面，达到防水的目的，并且硅烷具有的网状交联结构，使浸渍后仍不破坏混凝土表面的透气性，内部的水气可以向外扩散。其防护机理是，将硅烷涂在混凝土表面，受混凝土微孔的毛细吸收作用，很容易渗入到毛细孔隙中。渗透到毛细空隙中的硅烷，在潮气和水的作用下水解成硅醇，与硅酸盐中的羟基发生缩合反应，在混凝土表面毛细孔内壁形成一层均匀致密的斥水性网状硅氧烷憎水膜层，阻止外部水分和有害物质的进入，呈斥水效果。

硅烷防水材料分为乳液和膏体两类，膏体由于固含量较高，稠度较大，所以容易制备并且储存时间较长，但其应用范围较小；而乳液流变性好，应用范围较大，可是硅烷乳液的稳定性一直是一个难题。水性建筑涂料中,因避免了采用各种溶剂来稀释有机硅化合物,从而避免了溶剂的毒性、挥发性及易燃性等方面的使用限制条件,使潮湿表面的涂装变得容易。但是硅烷乳液制备仍存在许多困难,比如烷氧基硅烷有强烈的加水分解性,同时分解后易引起缩合反应,在水中稳定存在非常困难,因此虽然烷基烷氧基硅烷的水溶性和水分散体是理想的,制备对水稳定又能起防水作用的有机硅化合物仍然是个难题，在防水有机硅化合物的制备及储存中,乳液的pH值、共聚单体的选择、添加剂、乳化剂和乳化方法对乳液的稳定十分重要。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的乳液硅烷制备工艺过程复杂、设备昂贵、产品具有毒害性、对环境存在污染、稳定性差、容易分层的问题，提出了一种硅烷乳液建筑防水剂的制备方法。

本发明硅烷乳液建筑防水剂及其制备方法按以下步骤进行：

一、原料称取

按质量比为40：(3～10)：0.2：2：10：5：1：1称取硅烷、.增稠剂、催化剂、乳化剂、溶剂、丙烯酸树脂乳液、杀菌剂和稳定剂；所述硅烷为丙基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷或两者按任意比例得到的共聚物；所述增稠剂为氨基硅油301或氨基硅油802；所述催化剂为三乙胺；所述乳化剂为十八胺聚氧乙烯醚和异十三醇聚氧乙烯醚按质量比为1:1混合得到的混合物；所述溶剂为去离子水；所述杀菌剂为ROCIMA 623；所述稳定剂为聚乙二醇6000；

二、聚合物基料的制备

向反应器内加入溶剂和乳化剂，加热至60～80℃至乳化剂完全溶解，然后加入催化剂和增稠剂，在乳化机转速为3000rpm下搅拌并分三批加入硅烷，然后加入丙烯酸树脂乳液，在60～80℃下反应8～10小时得到反应物，最后将反应物在乳化机中进行高速乳化得到白色乳液；所述高速乳化的步骤为：在乳化机转速为2000～4000rpm下乳化0.5～2小时；所述反应器为四口瓶；

三、乳液防水剂制备

向步骤二得到的白色乳液中加入适量的磷酸至体系的pH为7～9，然后置于高速乳化机中在转速3000rpm下乳化0.5～1小时，再加入稳定剂和杀菌剂，继续在转速3000rpm下乳化0.5～1小时，即完成；其中在乳化过程中若发生起泡可以加入消泡剂。

本发明具备如下有益效果

1、本发明工艺过程安全简便，无需昂贵设备，且操作流程简单；

2、本发明方法制备的乳液防水剂以水作溶剂，对人无害，对环境无污染；

3、本发明方法制备的乳液防水剂疏水效果高；

4、本发明方法制备的乳液防水剂克服了液体硅烷和其他乳液硅烷稳定性差，容易分层的问题，通过选择与硅烷单体极性相似的乳化剂将水解后的硅羟基包裹，均匀分散到水溶剂中，同时丙烯酸中的碳碳双键和生成的硅羟基相互作用可以形成稳定体系，加入的氨基硅油可以增大体系的稠度确保体系稳定性，同时加入的助稳定剂聚乙二醇，增大有机相和无机相界面，这些因素综合起来使得产品稳定性显著提高，因此可以保持四个月以上不发生水相和有机相分层，颜色均匀无杂质，无漂油，且不发生静置沉降；

5、本发明方法制备的乳液防水剂相比于传统的混凝土涂料可以保持材料本身气孔结构的透气性，是真正具有“呼吸性”防水涂层材料；

6、本发明方法制备的乳液防水剂在防水性能和渗透性能上优于液体硅烷单体和传统防水涂料；

7、本发明方法制备的乳液防水剂经济上更加合理，性价比高；

8、本发明方法制备的乳液防水剂相比于膏体硅烷产品，流动性优良，实际施工更加方便，并且引入氨基硅油共聚后，防水效果得到提升。

附图说明

图1为实施例1制备的乳液防水剂的接触角和氯离子降低率随不同的硅烷与溶剂去离子水的质量比变化曲线图，其中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，3为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度曲线，4为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度曲线；

图2为实施例2制备的乳液防水剂的乳液防水剂的接触角和氯离子降低率随不同的硅烷与溶剂去离子水的质量比变化曲线图，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，3为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率曲线，4为为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率曲线；

图3为实施例3制备的乳液防水剂的接触角和渗透深度随不同的丙基三乙氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷质量比变化曲线图，1为乳液防水剂的渗透深度曲线，2乳液防水剂的接触角曲线；

图4为实施例3制备的乳液防水剂的接触角和氯离子降低率随不同的丙基三乙氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷质量比变化曲线图，1为乳液防水剂的氯离子降低率曲线，2为乳液防水剂的接触角曲线；

图5为实施例4和5制备的乳液防水剂的接触角随不同的氨基硅油301的质量变化曲线图，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；

图6为实施例4和5制备的乳液防水剂的渗透深度随不同的氨基硅油301的质量变化曲线图，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；

图7为实施例4和5制备的乳液防水剂的氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线图，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；2为丙基三乙氧基硅烷烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；

图8为实施例1制备的乳液防水剂实际防水效果图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式硅烷乳液建筑防水剂的制备方法按以下步骤进行：

一、原料称取

按质量比为40：(3～10)：0.2：2：10：5：1：1称取硅烷、.增稠剂、催化剂、乳化剂、溶剂、丙烯酸树脂乳液、杀菌剂和稳定剂；

二、聚合物基料的制备

向反应器内加入溶剂和乳化剂，加热至60～80℃至乳化剂完全溶解，然后加入催化剂和增稠剂，在乳化机转速为3000rpm下搅拌并分三批加入硅烷，然后加入丙烯酸树脂乳液，在60～80℃下反应8～10小时得到反应物，最后将反应物在乳化机中进行高速乳化得到白色乳液；所述反应器为四口瓶；

三、乳液防水剂制备

向步骤二得到的白色乳液中加入适量的磷酸至体系的pH为7～9，然后置于高速乳化机中在转速3000rpm下乳化0.5～1小时，再加入稳定剂和杀菌剂，继续在转速3000rpm下乳化0.5～1小时，即完成。

1、本具体实施方式工艺过程安全简便，无需昂贵设备，且操作流程简单；

2、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂以水作溶剂，对人无害，对环境无污染；

3、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂疏水效果高；

4、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂克服了液体硅烷和其他乳液硅烷稳定性差，容易分层的问题，通过选择与硅烷单体极性相似的乳化剂将水解后的硅羟基包裹，均匀分散到水溶剂中，同时丙烯酸中的碳碳双键和生成的硅羟基相互作用可以形成稳定体系，加入的氨基硅油可以增大体系的稠度确保体系稳定性，同时加入的助稳定剂聚乙二醇，增大有机相和无机相界面，这些因素综合起来使得产品稳定性显著提高，可以保持四个月以上不发生水相和有机相分层，颜色均匀无杂质，无漂油，且不发生静置沉降；

5、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂相比于传统的混凝土涂料可以保持材料本身气孔结构的透气性，是真正具有“呼吸性”防水涂层材料；

6、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂在防水性能和渗透性能上优于液体硅烷单体和传统防水涂料；

7、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂经济上更加合理，性价比高；

8、本具体实施方式方法制备的乳液防水剂相比于膏体硅烷产品，流动性优良，实际施工更加方便，并且引入氨基硅油共聚后，防水效果得到提升。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述硅烷为丙基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷或两者按任意比例得到的共聚物。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述增稠剂为氨基硅油301或氨基硅油802。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述催化剂为三乙胺。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述乳化剂为十八胺聚氧乙烯醚和异十三醇聚氧乙烯醚按质量比为1:1混合得到的混合物；步骤一所述溶剂为去离子水。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述杀菌剂为ROCIMA 623。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一所述稳定剂为聚乙二醇6000。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述高速乳化的步骤为：在乳化机转速为2000～4000rpm下乳化0.5～2小时。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

实施例1

本实施例硅烷乳液建筑防水剂及其制备方法按以下步骤进行：

一、原料称取

按质量比为40：3：0.2：2：10：5：1：1称取硅烷、.增稠剂、催化剂、乳化剂、溶剂、丙烯酸树脂乳液、杀菌剂和稳定剂；所述硅烷为正辛基三乙氧基硅烷；所述增稠剂为氨基硅油301；所述催化剂为三乙胺；所述乳化剂为十八胺聚氧乙烯醚和异十三醇聚氧乙烯醚按质量比为1:1混合得到的混合物；所述溶剂为去离子水；所述杀菌剂为ROCIMA623；所述稳定剂为聚乙二醇6000；

二、聚合物基料的制备

向反应器内加入溶剂和乳化剂，加热至70℃至乳化剂完全溶解，然后加入催化剂和增稠剂，在乳化机转速为3000rpm下搅拌并分三批加入硅烷，然后加入丙烯酸树脂乳液，在70℃下反应9小时得到反应物，最后将反应物在乳化机中进行高速乳化得到白色乳液；所述高速乳化的步骤为：在乳化机转速为3000rpm下乳化1小时；所述反应器为四口瓶；

三、乳液防水剂制备

向步骤二得到的白色乳液中加入适量的磷酸至体系的pH为中性，然后置于高速乳化机中在转速3000rpm下乳化1小时，再加入稳定剂和杀菌剂，继续在转速3000rpm下乳化1小时，即完成；其中在乳化过程中若发生起泡可以加入消泡剂。

1、本实施例工艺过程安全简便，无需昂贵设备，且操作流程简单；

2、本实施例方法制备的乳液防水剂以水作溶剂，对人无害，对环境无污染；

3、本实施例方法制备的乳液防水剂疏水效果高，且能长时间稳定存在；

4、本实施例方法制备的乳液防水剂克服了液体硅烷和其他乳液硅烷稳定性差，容易分层的问题，通过选择与硅烷单体极性相似的乳化剂将水解后的硅羟基包裹，均匀分散到水溶剂中，同时丙烯酸中的碳碳双键和生成的硅羟基相互作用可以形成稳定体系，加入的氨基硅油可以增大体系的稠度确保体系稳定性，同时加入的助稳定剂聚乙二醇，增大有机相和无机相界面，这些因素综合起来使得产品稳定性显著提高，可以保持四个月以上不发生水相和有机相分层，颜色均匀无杂质，无漂油，且不发生静置沉降；

5、本实施例方法制备的乳液防水剂相比于传统的混凝土涂料可以保持材料本身气孔结构的透气性，是真正具有“呼吸性”防水涂层材料；

6、本实施例方法制备的乳液防水剂在防水性能和渗透性能上优于液体硅烷单体和传统防水涂料；

7、本实施例方法制备的乳液防水剂经济上更加合理，性价比高；

8、本实施例方法制备的乳液防水剂相比于膏体硅烷产品，流动性优良，实际施工更加方便，并且引入氨基硅油共聚后，防水效果得到提升，接触角为90°，氯离子降低率为90％，渗透深度为1mm。

实施例2

本实施例分别采用丙基三乙氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷制备乳液防水剂，其中丙基三乙氧基硅烷与溶剂去离子水的质量比分别为：0.1:1、0.4:1、0.5:1、1:1、1.5:1、1.75:1、2:1、2.25:1、2.5:1、3:1、3.5:1、3.75:1、4:1、4.25:1、4.5:1和5:1；正辛基三乙氧基硅烷与溶剂去离子水的质量比分别为：0.1:1、0.4:1、0.5:1、1:1、1.5:1、1.75:1、2:1、2.25:1、2.5:1、3:1、3.5:1、3.75:1、4:1、4.25:1、4.5:1和5:1；其他步骤和参数与实施例1相同；

测试本实施例制备的乳液防水剂的接触角、渗透深度和氯离子降低率随不同的硅烷与溶剂去离子水的质量比变化曲线图，测试结果如图1和图2所示；图1中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，3为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度曲线，4为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度曲线；图2中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角曲线，3为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率曲线，4为为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率曲线；

从图1和2可以看出，辛基三乙氧基硅烷作要比丙基三乙氧基硅烷效果好，并且随硅烷含量的升高，接触角、渗透深度、氯离子含量降低率都逐渐升高，在4:1后才有下降趋势，所以选择硅烷和溶剂的质量比最佳为4:1；

实施例3

本实施例所述硅烷为丙基三乙氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷按分别按质量比分别为0.1:1、0.25:1、0.36:1、0.5:1、0.6:1、0.75:1、0.88:1和1:1混合得到的共聚物；其他步骤和参数与实施例1相同；

测试本实施例制备的乳液防水剂的接触角、渗透深度和氯离子降低率随不同的丙基三乙氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷质量比变化曲线图，测试结果如图3和图4所示；图3中，1为本实施例制备的乳液防水剂的渗透深度曲线，2为本实施例制备的乳液防水剂的接触角曲线；图4中，1为本实施例制备的乳液防水剂的氯离子降低率曲线，2为本实施例制备的乳液防水剂的接触角曲线；从图3和4可以看出，随着体系中掺入的丙基三乙氧基硅烷含量逐渐升高，接触角、渗透深度、氯离子降低率都在逐渐减弱，所以辛基三乙氧基硅比丙基三乙氧基硅烷效果好；

实施例4

本实施例所述硅烷为正辛基三乙氧基硅烷；所述增稠剂为氨基硅油301；氨基硅油301的质量分别为1g、2.5g、5g、7.5g、10g、15g、20g、25g和30g，其他步骤和参数与实施例1相同；

测试本实施例制备的乳液防水剂的接触角、渗透深度和氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线图，测试结果如图5～图7所示；其中，图5中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；图6中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；图7中，1为正辛基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；

实施例5

本实施例所述硅烷为丙基三乙氧基硅烷；所述增稠剂为氨基硅油301；氨基硅油301的质量分别为1g、2.5g、5g、7.5g、10g、15g、20g、25g和30g，其他步骤和参数与实施例4相同；

测试本实施例制备的乳液防水剂的接触角、渗透深度和氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线图，测试结果如图5～图7所示；其中，图5中，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的接触角随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；图6中，2为丙基三乙氧基硅烷制备的乳液防水剂的渗透深度随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；图7中，2为丙基三乙氧基硅烷烷制备的乳液防水剂的氯离子降低率随不同的氨基硅油301的质量变化曲线；

从实施例4和5可知随着体系中的氨基硅油含量的增高，乳液的接触角、渗透深度、氯离子降低率均在降低，综合产品稳定性考虑，选择加入量为5g最佳。

其中，实施例2～5所述的接触角的测定、渗透深度的测定和氯离子降低率的测试方法为：

测试前准备：

混凝土试件制作及处理按国家现行标准制作试验所需强度等级C30的普通混凝土OPC试件，规格100mm×100mm×100mm，标准条件(养护温度(20±3)℃，空气相对湿度不小于90％)养护28d后，清除试件表面不利于硅烷涂覆的灰尘、油污等杂物，自来水冲洗干净后晾干，

硅烷乳液建筑防水剂涂覆时保证试件表面为面干状态，涂覆时应采用连续涂刷方式，保证被涂表面饱和溢流。水平面涂刷时，涂刷至试件表面湿润或至镜面状，使被涂表面保持湿润状态几分钟，涂覆量采用400g/m²,即每一个面用量为(100mm×100mm)4g；

一、接触角的测定

采用外形图像分析法,具体为将液滴滴于固体样品表面,通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像,再运用图像处理和计算将图像中的液滴的接触角计算出来。计算接触角的方法通常基于一特定的数学模型如液滴可被视为球或圆椎的一部分,然后通过测量特定的参数如宽/高或通过直接拟合来计算得出接触角值。Young-Laplace方程描述了一封闭界面的内、外压力差与界面的曲率和界面张力的关系，可用来准确地描述一轴对称的液滴的外形轮廓，从而计算出其接触角；

二、渗透深度的测定

取试件进行硅烷乳液建筑防水剂涂覆，每一个面用量为(100mm×100mm)4g，干燥养护(养护温度为(20±3)℃，空气相对湿度(60±5)％)14d后，经50℃的烘箱烘干24h，在温度为(20±3)℃，空气相对湿度(60±5)％下冷却至室温，取出试件，干燥养护1d后将混凝土劈开，在劈开表面上喷涂水，测量不吸收水的区域的深度为渗透深度。以三个试件的算术平均值作为测定值，精确到0.1mm。

三、氯离子吸收量降低率的测定

对一面涂覆硅烷乳液建筑防水剂(100mm×100mm)4g，同时领取一个试块不涂覆硅烷乳液建筑防水剂做空白对照，重复下述操作。除原表面和其对面外，其余面用无溶剂环氧涂料涂覆密封。干燥养护14d(养护温度为(20±3)℃，空气相对湿度(60±5)％)后，全部在50℃下烘48h后，在温度为(20±3)℃，空气相对湿度(60±5)％下冷却至室温。将样原表面朝下放在合适的容器中，注入温度为(20±3)℃的5mol/L的NaCl溶液，液面高出试件底面10mm，24h后取样，在40℃下烘24h。切去试件表面2mm，以新面为基准面磨到深度为10mm处取粉。按现行业标准混凝土酸溶性氯化物含量测定法分析所得粉样的氯化物含量。在深度为11～20mm和21～30mm处，重复上述程序。以三组试件的算术平均值作为测定值。

计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}C=\frac{C_0-C}{C_0}\×100\%$

式中△C—氯化物吸收量的降低效果(％)；

C₀—空白组的氯化物平均含量，为每个样三个深度氯化物吸收量的平均值；

C—硅烷乳液建筑防水剂的氯化物平均含量，为每个样三个深度氯化物吸收量的平均值。