水泥基材料表面超疏水涂料的制备与性能研究

发布时间：2020-06-18 07:41

【摘要】：随着“一带一路”、“海洋强国”和“新型城镇化”等国家战略的不断实施,公路、桥梁、高铁、隧道等基础设施建设规模空前,其中大量水泥基材料服役于严酷环境,耐久性面临严酷的考验。氯离子、硫酸根离子、镁盐、二氧化碳等有害物质以水分为传输介质,通过毛细孔隙传输到水泥基材料内部,发生化学或者物理反应,导致结构破坏,是影响水泥基材料耐久性的主要因素。因此提高水泥基材料耐久性最有效的途径是阻止水分传输。本文基于生物仿生超疏水理论,通过纳米修饰和溶胶凝胶法,设计了混凝土表面的拓扑结构和化学润湿性,成功制备了两种超疏水涂料体系;研究了超疏水涂料对水泥基材料耐久性的影响;结合现代分析测试技术,探究了超疏水涂料与水泥基材料的化学作用,并在二维和三维尺度下定量表征了超疏水涂料在水泥基材料表面形成的多尺度分级结构。取得的研究成果如下:(1)两种超疏水涂料GKS和SHC的设计制备在低温、碱性条件下,利用丙基硅氧烷类A水解缩聚制备出丙基硅醇钾,当丙基硅醇钾浓度为5wt%时,涂抹到水泥基材料表面后接触角达136°。在丙基硅醇钾中分别引入四种纳米二氧化硅复合,可将水泥基材料表面接触角提高到150°以上,其中利用水热法分散的硅溶胶浓度为5wt%时,复合丙基硅醇钾制备的涂料GKS5作用效果最好,接触角提高到153°。在常温、酸性条件下,利用丙基硅氧烷类A、含氢硅氧烷类D与硅溶胶复合制备超疏水涂料SHC,在最佳浓度为10%,最佳浸渍时间为40s,最佳配比为丙基硅氧烷类A:含氢硅氧烷类D:硅溶胶=7:3:1时,水泥基材料表面接触角达167°,滚动角达6.3°。(2)超疏水涂料与水泥基材料的化学作用通过红外光谱分析,发现两种超疏水涂料中的疏水基团接枝到水泥基材料上,从而降低了材料表面能;利用X射线衍射图谱可知,两种涂料中不同状态的二氧化硅可与水泥基材料中的氢氧化钙反应,从而可以增加了疏水涂层与混凝土界面的粘结力。(3)超疏水涂料在水泥基材料表面形成的微-纳结构采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜和数字全息显微镜,分别从二维和三维尺度分析超疏水涂料对水泥基材料表面粗糙度的影响。结果表明,两种超疏水涂料都能增加水泥基材料表面粗糙度。(4)超疏水涂料对水泥基材料耐久性的影响通过碳化试验、吸水试验和抗氯离子渗透试验,研究两种超疏水涂料涂覆后对水泥基材料耐久性能和呼吸性能的影响。结果表明,超疏水涂料处理能够保持水泥基材料的呼吸性能;超疏水涂料GKS5和SHC4能大幅度降低吸水率,程度可达25%以上;涂料SHC4处理后C30和C50混凝土抗氯离子渗透性分别提高了16.8%和29.5%。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ637
【图文】：

理论模型,固体表面,润湿性

=实际表面积表观表面积（1-2）由方程式 1-2 可知，粗糙度因子 f 始终大于 1。引入粗糙度后，推导出 Wenzel 理论模型（如公式 1-3）[17]，用于评价具有一定粗糙度的固体表面的润湿性质。cos = ( ) = （1-3）在公式 1-3 中，θw为 Wenzel 理论模型中粗糙固体表面的接触角，从公式 1-3中可以推导出：当接触角 θy>90°时，θw>θy，粗糙度 f 越大，θw越大，即在粗糙的疏水性固体表面，其疏水性将随着粗糙度增加而增强；当接触角 θy< 90°时，θw<θy，粗糙度 f 越大，θw越小，表面粗糙度的增加能够增强固体表面的亲水性。但是 Wenzel 模型仅仅适用于处于热力学稳定的平衡状态的粗糙表面，即固体粗糙表面的化学组成成分均一。而对于化学成分不均一的固体表面，粗糙表面的起伏不平将会形成的势垒，如果液滴要在固体表面铺展，必须要克服这个势垒。当液滴的振动能大于这个势垒时，即为 Wenzel 模型；当液滴的振动能不能克服这个势垒时，液滴将在粗糙固体表面处于 Cassie 亚稳状态。

SEM图,超疏水,荷叶,微结构

东南大学硕士学位论文定向排列于水黾身体的腹面，在每一根刚毛上都有呈现出螺旋状的纳米结构[25]，这就使得水黾腿部微结构处于 Cassie 理论模型，能够在在水面与腿部之间形成空气气垫，使水黾具有非凡浮力。

【参考文献】