肖春霞，康晓君，冯黎，杨胜（中国建筑材料科学研究总院苏州防水研究院，江苏苏州215008）
有机硅具有很低的表面张力和扩展能力，用于建筑基材上可渗透到微孔的壁上形成薄膜，产生防水性且不会封闭通道，是一种性能优良的防水剂。有机硅防水剂中，以水性的乳液型产品为代表，它克服了以往产品耐候性不佳、环境不友好等缺点，兼具更好的渗透性及优良的防水效果。但一般的液状硅烷类产品，活性组分含量不高，且会因流动及挥发导致活性组分流失，不适宜用于混凝土结构表面。本文制备了一种专用于混凝土结构表面，具有长期耐久性及优异的渗透性和防水性的硅烷膏体防水浸渍剂。这种防水浸渍剂具有良好的触变性，施工于建筑结构表面时不流淌，并且具有长期的储存稳定性。
1 实验部分
1.1 原料
烷氧基硅烷（工业级）；乳化剂（工业级）；其他助剂；去离子水。
1.2 选材及制备
具有长期稳定性的硅烷膏体浸渍剂的研制，关键在于乳化体系的选择及合适的配方工艺。主体原料硅烷的选择以烷基碳数6～10 为佳。烷基碳数小于6 时，硅烷极易挥发，且烷基碳数太小屏蔽作用不够明显，导致烷氧基水解剧烈，水解后易发生缩合作用，在水中存在非常困难；而烷基碳数太大，分子量过大，对基材的渗透能力会变差，本文选择的烷基碳数为6~10。若采用甲氧基封端的硅烷，则在碱性条件下稳定性差，使用时在基材表面很快结合或架桥，对渗透不利，同时在水中稳定性不好，难以保存；采用乙氧基封端的硅烷，理论上碳数在1～4 均可；采用丙氧基及以上烷氧基封端的硅烷，虽稳定性尚可，但在基材表面的渗透速度太慢，与基材结合也慢，所以选用乙氧基封端的硅烷佳。将水与乳化剂混合，在高速搅拌机上搅拌数分钟，随后将一定配比的烷氧基硅烷在一定转速下加入至水相中混合均匀，然后提至高转速乳化约30 min，后低速继续搅拌直至得到硅烷膏体产品。
1.3 实验设计
1）固定原料配比，以不同的乳化剂（单一的或复配的）体系对硅烷进行乳化实验，测试所得膏体硅烷的稳定性，确定合适的乳化剂体系。
2）固定原料配比及乳化剂体系，通过不同的工艺及设备对硅烷进行乳化，测试所得膏体硅烷的稳定性，通过产品的稳定性数据确定合适的乳化工艺。
3）固定乳化剂体系及乳化工艺，以不同的乳化剂用量进行实验，测试所得膏体硅烷的防水性能，确定合适的乳化剂用量。
1.4 性能测试
1.4.1 稳定性测试
1）储存稳定性。取10 mL 样品两份置于带塞的试管中，室温密封放置12 周，观察（目测，下同）样品分层、漂油及沉淀的情况。
2）离心稳定性。取10 mL 样品两份放入离心管中，置于电动离心机相对的两面，以3 000 r/min 的速度离心30 min，取出离心管，观察样品分层、漂油及沉淀的情况。
3）热储存稳定性。取10 mL 样品两份置于带塞的试管中，于45 ℃烘箱中放置14 d，观察样品分层、漂油及沉淀的情况。
1.4.2 活性组分含量测试
以气相色谱法测试样品中的活性组分含量。
1.4.3 吸水率
按JTJ 275—2000《海工工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的要求，制备混凝土块。混凝土块规格为70 mm×70 mm×70 mm，标准条件下养护28 d 后，在养护好的混凝土块任一表面涂覆硅烷膏体，采用连续涂刷方式，使被涂表面饱和溢流。被涂表面为立面时，采用自上而下喷涂，使被涂立面至少有5 s 保持“看上去是湿的”的状态；而顶面或底面上，都至少有5 s保持“看上去是湿的镜面”状态。每遍喷涂量为300mL/m2，喷涂两遍。两遍之间的间隔时间至少为6 h。涂覆硅烷膏体的试件干燥养护7 d 后，除硅烷浸渍面外，在其余各面及硅烷浸渍面上小于5 mm 的周边均涂以无溶剂环氧涂料，在适当的容器底部放置多根直径100 mm 的玻璃棒，将混凝土块的硅烷浸渍面朝下放在玻璃棒上，注入23 ℃的水，使水面在玻璃棒上1～2 mm，以5、10、30、60、120、140 min 的时间间隔，分别取出混凝土块，称重后立即放回去，直到完成所有这些间隔时间的测试。计算得到吸水率值。
1.4.4 渗透深度
硅烷浸渍深度采用染料指示法进行测试。在后一次喷涂后至少7 d 后测试，具体试验方法参照JTJ275—2000 的要求。
1.4.5 氯化物吸收量的降低效果
氯化物吸收量的降低效果参照JTJ 275—2000、JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》及相关标准的要求进行测试。
2 结果与讨论
2.1 乳化体系的选择
选取几种非离子乳化剂作为单组分乳化体系，并通过复配得到复合乳化剂。首先固定硅烷与水的用量，加入0.5%的乳化剂，通过实验确定了合适的HLB 值。并将不同HLB 值的乳化剂进行复配，得到几组HLB 值相同的复合乳化剂，在相同的原料配比及乳化工艺条件下，进行试验来确定合适的乳化体系。试验结果列于表1。
从表1 中可以看出，仅配方5 可得到离心稳定性和储存稳定性都较好的硅烷膏体产品，因此终选择配方5 作为试验用乳化剂，是两种醚类乳化剂的复配体系。
从表1 中可以看出，仅配方5 可得到离心稳定性和储存稳定性都较好的硅烷膏体产品，因此终选择配方5 作为试验用乳化剂，是两种醚类乳化剂的复配体系。
2.2 乳化工艺对产品稳定性的影响
乳化是使分子分散成热力学不稳定的分散状态，是一个吸能过程。在实际乳化过程中，乳化工艺不容易掌控，即使是同样的配方，但由于操作时温度、乳化时间、加料方式和搅拌条件等不同，得到的产品的稳定性等也会不同，甚至相差悬殊，因此在乳化过程中，需掌握好操作的细节，才能得到高质量的产品。乳化工艺中除了两相的加入方式外，两相的混合方式也至关重要，乳化过程的混合方式主要有机械搅拌混合法、胶体磨混合法、超声波乳化器混合法和均质器混合法。本文采用了实验用机械搅拌器、高速分散机及乳化分散机进行乳化实验。其中，机械搅拌的分散性较差，每次滴加的硅烷需较长时间的强力搅拌才能完全形成乳化体。高速分散机与乳化分散机相比，采用前者制备出的膏体产品黏度较小。这主要是由于乳化分散机剪切效率较高，通过高速旋转的转子产生强劲的离心力将物料从径向甩入定转子之间狭窄细小的间隙中，物料同时受到离心挤压、撞击等多种作用力，能够充分乳化、均质、破碎、分散；而高速分散机在运转过程中，其分散盘下方的物料呈层流状态，主要通过不同流速的物料层相互扩散而起到分散作用，多适用于固-液体之间的搅拌分散。对于乳化而言，采用高速分散机比采用乳化分散机得到的乳化体粒径大，所以黏度偏低；相对的，采用乳化分散机得到的产品粒径小，粒径分布均匀，因此稳定性较好。
2.3 乳化剂用量对防水性能的影响
乳化剂在界面形成的吸附膜的强度，与乳化剂的浓度有关，当乳化剂的用量增大时，其在界面膜上吸附的单体的数量增多，表面张力下降得多，界面膜的强度相应增大，因此乳状液滴聚结过程中所受到的阻力增大，形成的乳液稳定性较好；但当乳化剂用量持续增大到临界胶束浓度时，再增大乳化剂的用量，表面张力变化很小，且本文制备的硅烷膏体为水包油型体系，亲水型乳化剂的大量使用会影响产品的防水性能，考虑到产品稳定性与防水性之间的平衡，乳化剂的用量存在一个佳值。相同实验条件下，考察不同乳化剂用量对硅烷膏体产品稳定性及防水性的影响，结果见表2。
表2 乳化剂用量对产品稳定性及防水性的影响
表2 乳化剂用量对产品稳定性及防水性的影响
从表2 中可以看出，当乳化剂用量小于0.2%时，产品不稳定，离心稳定性测试有漂油现象；当乳化剂用量大于0.3%时，产品的防水效果明显减弱。因此，为了取得稳定性与防水性之间的平衡，本文中选择乳化剂用量为0.2%。
2.4 性能指标
用气相色谱法测得硅烷膏体产品的活性组分含量约为80%，表明乳化过程中硅烷单体乳化效果很好，几乎全部形成了水包油的乳化体系，硅烷损失较小，能充分发挥其较强的渗透能力及防水防腐性能。参照标准JTJ 275—2000 制备的硅烷膏体防水浸渍剂，其性能测试结果见表3。
从表3 中可以看出，本文所制备的硅烷膏体防水浸渍剂的性能已达到相关标准的要求。
3 结语
本文制备了一种具有良好防水效果、长期储存稳定的硅烷膏体防水浸渍剂，通过乳化剂的复配使用和膏体稳定性的研究，确定了合适的乳化体系为两种醚类乳化剂的复配体系，乳化剂的用量为0.2%，本文制备的硅烷膏体防水浸渍剂满足标准JTJ 275—2000的所有性能指标要求。目前，已有研究多数局限于单一硅烷乳化剂的应用研究上，复合硅烷及浸渍与成膜共存的有机硅防水产品仍需继续摸索和深入研究，以期得到经济高效、应用更广的产品。
