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CN107298906B - 一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法。本发明所述防护涂层包括负载5‑50%（w/w）融雪剂的聚合物基防护涂料形成的厚度0.2‑1.5mm的高耐候有机涂层，以及通过特殊工艺成型的厚度为0.1‑1μm高疏水纳米涂层。本发明所述的一种高耐候的防结冰防护涂层，通过高疏水性能和负载的融雪剂使其具有优异的防结冰效果，同时，高性能聚合物基防护材料，保证其具有优异的耐候性和防水防腐性能。

Description

一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法。
背景技术
各种基础设施应用中都会与水以某种方式接触，如长期浸泡、雨淋、露水甚至高湿度的空气等，而水无孔不入，能够渗透或润湿各种混凝土构筑物，在温度低于或接近零度时就会发生结冰现象。结构内部水转化为冰就会发生体积膨胀，导致混凝土冻融破坏，结构表面水结冰，会导致构筑物负重增加，各种安全事故的发生，甚至导致一些灾难事件的发生，如桥面或路面结冰出现车祸等，所以，功能性的高耐候防结冰融冰防护涂层的开发和应用具有重要的意义和前景。
目前的除冰技术集中在加热或化学的方法使冰融化和以超疏水或自清洁涂层的性能防止冰层的形成。如专利201310013318.9公开一种风电叶片加热除冰技术；专利200910195359.8公开一种利用聚硅氧烷与聚合物嵌段共聚的温敏相变材料制备的智能主动抗结冰涂层；专利201610523236.2公开一种利用Ti、Ni合金相变及激光刻蚀或化学刻蚀的方法得到抗结冰涂层。然而，利用加热或者相变金属材料在各种元器件或小型构件上使用具有一定的优势，但是，在桥梁、大坝等大面积混凝土构筑物表面使用就完全丧失其作用，或者成本极高，根本不可能推广应用。专利201210027812.6、201210408658.7、201210518589.5等都采用聚合物复合纳米粒子形成超疏水层，能够实现在混凝土表层防护中的应用，但是，其制备方法都是采用将无机纳米粒子与树脂混合均匀后成膜固化形成，一方面材料制备复杂，纳米粒子分散差，另一方面所有的纳米粒子都被有机涂层包裹，纳米粒子只是起到增强的作用，专利201210027812.6阐述的疏水纳米粒子起到疏水作用效果有限，主要起作用的还是树脂体系本身的疏水性能。目前，通用的除冰方法为采用碱金属或碱土金属的盐作为融冰剂来降低冰点，实现融雪防冰，但是大量使用融冰剂带来大量的腐蚀危害，显著降低钢筋混凝土和沥青路面的服役寿命。
文章Ultra-Durable and Transparent Self-Cleaning Surfaces by Large-Scale Self-Assembly of Hierarchical Interpenetrated Polymer Network(ACSAppl.Mater.Interfaces 2016,8,13615-13623)，通过PMMA和PU制成互穿网络结构聚合物基材，然后将通过含氟硅烷改性二氧化硅在超声波中分散后涂覆在聚合物基材上形成高性能的疏水涂层。然而，本文中，氟改性的纳米二氧化硅价格昂贵，分散困难，生产和应用比较困难，在混凝土建筑物中推广应用可能性几乎为零。
本专利，利用有机涂层包负融冰剂作为底涂，通过特定的工艺将高疏水的纳米有机硅涂覆在有机涂层表面，形成高疏水层，形成疏水融冰双重作用的涂层体系。其有效作用为，疏水涂层，可以降低表面张力，形成高疏水的荷叶效果，避免进入基层，降低冰层与基面的附着力，另一方面，少量的水进入纳米层达到有机底涂层，融雪剂会溶解，形成盐水溶液，降低冰点，避免结冰，从而在涂层与冰/雪层中间形成润滑层；立面冰/雪会自动脱落，平面冰/雪在车辆碾压等外力作用下会剥离脱落，从而达到融冰、除冰的双重目的，同时，本发明形成的涂层可以作为优异的防水防腐层使用。
发明内容
为了解决现有技术中融雪剂大量喷洒腐蚀性大，疏水涂层防结冰效果差以及新型技术无法在混凝土防结冰领域应用的难题，本发明提供了一种高耐候防结冰防护涂层及其制备方法。
本发明提供了一种高耐候的防结冰防护涂层，包括聚合物基防护涂料形成的厚度为0.2-1.5mm的具有防水防腐性能的高耐候有机涂层和通过特殊工艺成型的厚度为0.1-1μm的高疏水纳米涂层；所述聚合物基防护涂料负载5-50％(w/w)融雪剂；
所述聚合物基防护涂料为行业内通用的双组份涂料，包括树脂组分和固化组分；所述聚合物基防护涂料耐紫外老化性能＞2000h；所述高疏水纳米涂层由高疏水、快分散的纳米材料制得；
其中，负载融雪剂为市售通用的碱金属或碱土金属类融雪剂。
作为优选，所述聚合物基防护涂料选自丙烯酸涂料、氟碳涂料、聚氨酯涂料及脂肪族聚脲材料。
作为另一种优选，所述碱金属或碱土金属类融雪剂包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、醋酸镁中的一种或几种任意比例复合，添加量为整个聚合物基防护涂料的5％-50％(w/w)。
作为另一种优选，所述高疏水、快分散的纳米材料为可在分散溶剂中快速分散的疏水改性的纳米二氧化硅、纳米氧化锆中的一种或几种任意比例复合。
所述分散溶剂选自丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯的任意一种或多种。
本发明还提供了上述一种高耐候防结冰防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将融雪剂在500～5000r/min高速分散环境中分散到聚合物基防护涂料的树脂组分中，20-80℃搅拌30-120min，得到含有融雪剂的树脂组分；使用时，按照商品提供的树脂组分(扣除融雪剂)与固化组分配比混合搅拌，得到负载融雪剂的聚合物基防护涂料；
(2)将高疏水、快分散的纳米材料加入分散溶剂中，室温，1000～5000r/min高速分散10-30min，得到纳米粒子分散溶液；纳米粒子分散溶液浓度为0.2-2％(w/w)。
(3)施工时，根据涂料常规工艺通过滚涂、喷涂等方式将步骤(1)得到的聚合物基防护涂料成型厚度0.2-1.5mm的含有融雪剂的具有防水防腐性能的高耐候有机涂层，根据设计厚度分遍施工，每遍施工厚度不超过0.5mm，形成具有融冰效果的高耐候有机涂层；最后一遍施工完毕后10-30min，将步骤(2)制得的纳米粒子分散溶液，采用喷涂工艺，两遍垂直交叉喷涂，分散溶剂挥发后形成高疏水纳米涂层；分散溶剂挥发后所述高疏水纳米涂层与高耐候有机涂层粘结成一体，固化7d后形成本发明所述的高耐候的防结冰防护涂层。
优选地，步骤(3)每遍喷涂纳米粒子分散溶液用量0.5-1.2kg/m2，纳米粒子分散溶液总共用量为1.0-2.4kg/m2。
本发明作为一种高耐候的防结冰防护涂层，通过低表面张力的高疏水性能和负载的融雪剂使其具有优异的融雪除冰效果，同时，高性能聚合物基防护涂料，保证其也是长寿命的防水防腐涂层：高疏水的纳米表层结构，使复合涂层具有非常低的表面张力，形成高疏水的荷叶效果，避免水分进入基层，降低冰层与基面的附着力，另一方面，少量的水进入纳米层达到有机底涂层，融雪剂会溶解，形成盐水溶液，降低冰点，避免结冰，从而在涂层与冰/雪层中间形成润滑层，立面冰/雪会自动脱落，平面冰/雪在车辆碾压等外力作用下会剥离脱落，从而达到融冰、除冰的双重目的；同时，本发明形成的高耐候的防结冰防护涂层可以作为优异的防水防腐层使用。
具体而言，本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明采用低表面能的纳米涂层作为疏水体系，降低雪/冰与基层的附着力，在外界作用力的作用下很容易除去雪/冰层；立面，水滴可自动滚落不结冰，即使雪/冰在表面形成，也会在重力作用下掉落，可实现自动除冰；
(2)本发明将融雪剂加入聚合物体系里面，只在冰雪融水透过纳米层时，才与融雪剂接触，融雪剂溶解，形成盐水体系，降低冰点，避免空隙立面水结冰，从而在雪/冰层与基层间形成水层，实现零附着力，从而实现自动除冰；
(3)本发明采用的融雪剂只在界面融水中溶解，与常规大规模抛洒融雪剂相比，用量极大程度上减少，基本对混凝土或沥青路面、水体及自然生物无影响；
(4)本发明采用高耐候聚合物基防护涂料作为粘结体系，能够有效的保证纳米粒子的附着力，保证服役期限；
(5)本发明采用的纳米粒子不仅具有高的疏水性能，还具有优异的分散性能，能够快速的在丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯等有机溶剂里面分散，且成本低，易于规模化推广应用；
(6)本发明采用喷涂施工，保证纳米粒子在表面的均匀分散和快速施工；
(7)本发明最终得到的涂层具有自动融雪除冰作用还具有优异的防水防腐性能；
(8)本发明得到的自动除冰体系，适合在桥梁、码头、港口、公路等领域应用。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例采用主要原料：
采用的聚合物基防护涂料为：如美国PPG工业公司PPG-Sigma Dur 2800氟碳涂料、PPG-Sigma Dur550聚氨酯涂料、PPG-Sigma vikote56丙烯酸涂料、江苏苏博特新材料股份有限公司KLJ-P311脂肪族聚脲高耐候面漆涂料；
高疏水、快分散纳米材料为：河南王屋纳米科技有限责任公司DNS-2,DNS-3可分散性纳米二氧化硅和DNZr-1可分散性二氧化锆纳米粉体；
融雪剂、分散溶剂及其他材料均为常规工业级试剂。
(一)含融雪剂聚合物基防护涂料制备
实施例1-4
将融雪剂加入到不同高耐候聚合物基防护涂料产品的树脂组分(非固化组分)中，500～5000r/min高速分散，20-80℃搅拌30-120min，得到含有融雪剂的树脂组分；使用时，按照商品提供的树脂组分(扣除融雪剂)与固化组分配比混合搅拌，得到高耐候聚合物基防护涂料，标记为JT-1，JT-2，JT-3，JT-4。
Figure BDA0001189608750000051
(二)纳米粒子分散溶液制备
实施例5-7
在搅拌环境下，将高疏水、快分散纳米材料加入到分散溶剂中，室温，1000～5000r/min高速分散10-30min，得到纳米粒子分散溶液，标记为Nano-1,Nano-2,Nano-3。
实施例 DNS2 DNS3 DNZr-1 丙酮 乙酸乙酯 乙酸丁酯 反应条件 标记
实施例5 0.2 / / 100 / / 5000r,室温,10min Nano-1
实施例6 0.5 0.8 / / 50 50 2500r,室温,20min Nano-2
实施例7 / 1.0 1.0 50 / 50 1000r,室温,30min Nano-3
(三)高耐候防结冰防护涂层制备
实施例8-12
根据涂料厂家提供的树脂组分(扣除融雪剂)与固化组分配比混合搅拌均匀，并按照厂家提供的施工工艺通过滚涂、喷涂等方式，将含有融雪剂的聚合物树脂体系JT-1，JT-2，JT-3，JT-4根据涂层厚度成型有机涂层；最后一遍施工完毕10-30min后，将纳米分散溶液，采用喷涂工艺，两遍垂直交叉喷涂，溶剂挥发后形成纳米疏水层；整个体系固化7d后形成防水防腐与融雪除冰一体化的高耐候防结冰防护涂层。
对比例1
对比例采用vikote56，将树脂组分和固化组分按厂家配比混合均匀，滚涂两遍，厚度1.0mm，固化7d后得到对比实施例。
对比例2
对比例2采用Dur550负载融雪剂作为对比，将JT-2按厂家配比混合均匀，滚涂两遍，厚度1.0mm，固化7d后得到对比实施例2。
具体实施例及性能如下表所示：
Figure BDA0001189608750000061
注：时间结冰状态与结冰量测试方法为：试件测试面尺寸为150mm*70mm，与水平面呈10°夹角；在-20℃环境下，定时用喷雾器喷0℃冰水在试件表面；12h后，观察结冰状态，测试结冰量。
从上表可以看出，实施例8-12得到的高耐候的防结冰防护涂层与对比例1相比较，不但在耐候性能、防护混凝土试件的抗冻融性能等防护性能有较大程度的提升，而且，在接触角，结冰状态和结冰量等性能方面也有非常大的提升，兼具防水防腐和防结冰、除冰一体化的综合防护性能，且耐候性能优异，服役期限更长。对比例2与对比例1相比，在融雪剂的作用下，防结冰性能有一定提升，得到的结冰坚硬程度有所降低，结冰量有所下降，但是与实施例8-12相比，远没有达到采用高疏水纳米涂层处理的防护涂层的防结冰效果优异，且耐候性相比也有所下降。所以，从实施例与对比例的作用效果来看，本发明得到的高耐候的防结冰防护涂层更加优异。

Claims (6)

1.一种高耐候的防结冰防护涂层，其特征在于：包括聚合物基防护涂料形成的厚度为0.2-1.5mm的高耐候有机涂层和通过特殊工艺成型的厚度为0.1-1μm的高疏水纳米涂层；所述聚合物基防护涂料负载5-50%（w/w）融雪剂；
所述聚合物基防护涂料为行业内通用的双组份涂料，包括树脂组分和固化组分；所述聚合物基防护涂料耐紫外老化性能＞2000h；所述高疏水纳米涂层由高疏水、快分散的纳米材料制得；
其中，融雪剂为市售通用的碱金属或碱土金属类融雪剂；
所述聚合物基防护涂料选自丙烯酸涂料、氟碳涂料、聚氨酯涂料及脂肪族聚脲材料；
所述高疏水纳米涂层的制备方法包括：将高疏水、快分散的纳米材料加入分散溶剂中，室温，1000~5000r/min高速分散10-30min，得到纳米粒子分散溶液，制得的纳米粒子分散溶液采用喷涂工艺，两遍垂直交叉喷涂，分散溶剂挥发后形成高疏水纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的一种高耐候的防结冰防护涂层，其特征在于，所述碱金属或碱土金属类融雪剂选自氯化钠、氯化钙、氯化镁、醋酸镁中的一种或几种任意比例复合。
3.根据权利要求1所述的一种高耐候的防结冰防护涂层，其特征在于，所述高疏水、快分散的纳米材料为可在分散溶剂中快速分散的疏水改性的纳米二氧化硅、纳米氧化锆中的一种或几种任意比例复合。
4.根据权利要求3所述的一种高耐候的防结冰防护涂层，其特征在于，所述分散溶剂选自丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯的任意一种或多种。
5.权利要求1至4任一项所述的一种高耐候的防结冰防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将融雪剂在500~5000r/min高速分散环境中分散到聚合物基防护涂料的树脂组分中，20-80℃搅拌30-120min，得到含有融雪剂的树脂组分；使用时，按照商品提供的扣除融雪剂的树脂组分与固化组分配比混合搅拌，得到负载融雪剂的聚合物基防护涂料；
（2）将高疏水、快分散的纳米材料加入分散溶剂中，室温，1000~5000r/min高速分散10-30min，得到纳米粒子分散溶液；纳米粒子分散溶液浓度为0.2-2%（w/w）；
（3）施工时，根据涂料常规工艺通过滚涂或喷涂方式将步骤（1）得到的聚合物基防护涂料成型厚度0.2-1.5mm的含有融雪剂的高耐候有机涂层，根据设计厚度分遍施工，每遍施工厚度不超过0.5mm，形成具有融冰效果的高耐候有机涂层；最后一遍施工完毕后10-30min，将步骤（2）制得的纳米粒子分散溶液，采用喷涂工艺，两遍垂直交叉喷涂，分散溶剂挥发后形成高疏水纳米涂层；
所述分散溶剂挥发后所述高疏水纳米涂层与高耐候有机涂层粘结成一体，固化7d后形成所述高耐候的防结冰防护涂层。
6.根据权利要求5所述的一种高耐候的防结冰防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤（3）每遍喷涂纳米粒子分散溶液用量0.5-1.2kg/㎡，纳米粒子分散溶液总共用量为1.0-2.4kg/㎡。
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