CN111303770A - 一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐导电涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其包括有生物基树脂，助剂，去离水，助溶剂，颜料以及导电填料，所述导电填料可以为纳米炭黑，碳纳米管，Mxene，银纳米线或者镍纳米线。采用生物基树脂为主要成膜物，使得本发明制得的产品的生产是绿色环保以及符合可持续发展的，添加导电填料，使得制得的生物基水性防腐力敏导电涂料，不仅具有防腐性，同时还具备导电性以及灵敏的传感性，从而用于应力检测或桥梁变形检测。

Description

一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐导电涂 料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料。
背景技术：
桥梁建筑的服役寿命是影响其安全的重大关键问题。其关键在于金属材料与结构件在使用过程中受到环境腐蚀和应力损伤影响。因此，为了延长服役寿命，对其腐蚀保护和应力损伤进行实现监测尤为重要。
金属材料的腐蚀主要是受空气中水分和氧气发生电化学反应，因此，常采用耐候性、耐腐蚀性、稳定性和力学性能佳的环氧树脂作为防腐涂料，隔绝水分和氧气等。其中水溶性的环氧酯是目前重点发展方向。而目前环氧酯来自于石化资源，不利于环境和可持续发展。从可再生资源(废弃物、农作物等)原料提炼制备生物基水溶性环氧酯是一种环境友好型和经济高效的方式。
金属桥梁与结构件建筑的受力、变形情况需要做到实时、无损及远程监测，便于掌握其健康状况。其中关键难题在于力敏传感材料的制备及其在桥梁建筑中的安装使用。聚合物基力敏导电复合材料具有制备简易，成本低、安装方便、探测准确等优点。
故如何构建生物基防腐力敏导电涂料，同时实现防腐保护与应力传感器即健康监测，提高金属桥梁与结构件服役寿命是一个亟待解决的难题。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决现有问题，而提供一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐敏导电涂料及其制备方法，既可以实现环保，可持续发展，又可用于应力检测。
本发明的技术解决措施如下：
一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其成分由甲组分和乙组分组成；
所述甲组分其成分由生物基树脂，助剂，去离子水，助溶剂以及颜料组成；
所述乙组分为导电填料，所述导电填料可以为纳米炭黑，碳纳米管，Mxene，银纳米线或者镍纳米线。
作为优选,所述助剂由PH调节剂，催干剂，分散剂，消泡剂，润湿剂，增稠剂，气相二氧化硅以及防闪锈助剂组成；
所述助溶剂为醚类助溶剂；
所述颜料由沉淀硫酸钡，滑石粉以及防锈颜料组成。
作为优选,所述甲组分和乙组分由以下重量份的原料制备而成：
甲组分
生物基树脂：20份～25份；
PH调节剂：0.3份～0.6份；
催干剂：0.3份～0.4份；
分散剂：0.2份～0.3份；
消泡剂：0.08份～0.1份；
润湿剂：0.1份～0.3份；
气相二氧化硅：0.4份～0.5份；
防闪锈助剂：0.4份～0.5份；
助溶剂：3份～5份；
沉淀硫酸钡：15份～18份；
滑石粉：5份～9份；
去离水：28份～37份；
增稠剂：0.1份～0.5份；
防锈颜料：3份～5份；
乙组分
导电填料：8份～15份。
作为优选,其步骤如下：
S1、取8份～15份的导电填料将其进行表面处理；
S2、取10份～13份的生物基树脂，0.3份～0.6份的PH调节剂，3份～5份的助溶剂，0.3份～0.4份的催干剂按顺序投入分散缸内进行分散处理，得到溶液Ⅰ；
S3、取9份～13份的去离子加入步骤S2中制得的溶液Ⅰ中，进行分散处理，得到溶液Ⅱ；
S4、取0.2份～0.3份的分散剂，0.08份～0.1份的消泡剂，0.1 份～0.3份的润湿剂，15份～18份的沉淀硫酸钡，5份～8份的滑石粉，3份～5份防锈颜料，0.4份～0.5份的气相二氧化硅，15份～19 份的去离子水，0.4份～0.5份的防闪锈助剂，以及取65％～70％的步骤S1中经过表面处理的导电填料分别投入步S3中制得的溶液Ⅱ中进行分散处理，得到溶液Ⅲ；
S5、将步骤S4中得到的溶液Ⅲ放入研磨机中进行研磨处理；
S6、将步骤S5中经过研磨处理的溶液Ⅲ重新放入分散缸内，且取10份～12份的生物基树脂以及4份～5份的去离子水进行混合得到溶液Ⅳ，并且用溶液Ⅳ冲洗研磨机并回收至分散缸内，得到溶液Ⅴ；
S7、取30％～35％的步骤S1中经过表面处理的导电填料以及0.1 份～0.5份的增稠剂投入溶液Ⅴ中进行分散处理，生物基防腐导电涂料制备完成。
作为优选,所述步骤S1中导电填料为纳米炭黑，碳纳米管或者 Mxene，则进行的表面处理步骤为：先将硅烷偶联剂分散于乙醇的水溶液中，得到溶液Ⅵ，再将导电填料投入放有溶液Ⅵ的分散缸内中进行分散处理；
所述步骤S1中导电填料为银纳米线或者镍纳米线，则进行的表面处理步骤为：先将硫醇分散于乙醇的水溶液中，得到溶液Ⅶ，再将导电填料放入溶液Ⅶ中进行分散处理。
作为优选,所述步骤S2中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为400～600r/min；
所述步骤S3中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为 400～600r/min；
所述步骤S4中分散处理的时间为18～22分钟，分散速度为 600～800r/min；
所述步骤S7中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为 400～600r/min。
作为优选,所述步骤S5中研磨处理为研磨至细度小于30微米，研磨处理过程中温度不超过50℃。
作为优选,所述导电填料为纳米炭黑，碳纳米管或者Mxene，其分散处理为先进行分散时间为18～22min，400～600r/min分散处理，再升温至48℃～50℃，分散时间为28～30min，400～600r/min；
导电填料为银纳米线或者镍纳米线其分散处理为先进行分散时间为18～22min，400～600r/min分散处理，再升温至38℃～40℃，分散时间为28～30min，400～600r/min。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的生物基防腐导电涂料采用生物基树脂为主要成膜物，使得本发明制得的产品的生产是绿色环保以及符合可持续发展的。
2、本发明的生物基防腐导电涂料中添加了导电涂料，使得本发明的生物基防腐导电涂料不仅具有防腐性，延长桥梁的服役寿命，同时还具备导电性以及灵敏的传感性，从而用于应力检测或桥梁变形检测。
具体实施方式：
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中使用时，除非另有说明，“一种”、“这种”、“至少一种”和“一种或多种”以及不使用数量词的情形可互换使用。因此，例如包含“一种”添加剂的涂料组合物可以被解释为表示该涂料组合物中包含“一种或多种”添加剂。除本文中另有说明外，本文中单数形式的使用还意在包括复数形式。
在组合物被描述为包括或包含特定组分的情况下，预计该组合物中并不排除本发明未涉及的可选组分，并且预计该组合物可由所涉及的组分构成或组成，或者在方法被描述为包括或包含特定工艺步骤的情况下，预计该方法中并不排除本发明未涉及的可选工艺步骤，并且预计该方法可由所涉及的工艺步骤构成或组成。
为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其成分由甲组分和乙组分组成；
所述甲组分由生物基树脂，助剂，去离子水，助溶剂以及颜料组成；
所述乙组分为导电填料，所述导电填料可以为纳米炭黑，碳纳米管，Mxene，银纳米线或者镍纳米线。通过调控导电填料的用量，构筑不同的导电网络，实现应力敏感和导电性的统一。
具体地，所述生物基树脂为一种基于生物基材料的水性环氧酯，其生产制备方法在专利申请号为201810587010.8，专利名称为《一种基于生物基材料的水性环氧酯及其制备方法》的专利文件中公开，故不多加赘述。
具体地，所述助剂由PH调节剂，催干剂，分散剂，消泡剂，增稠剂，润湿剂，气相二氧化硅以及防闪锈助剂组成；
所述助溶剂为醚类助溶剂；
所述颜料由沉淀硫酸钡，滑石粉以及防锈颜料组成。
具体地，所甲组分以及乙组分由以下重量份原材料制备而成：
甲组分
生物基树脂：20份～25份；
PH调节剂：0.3份～0.6份；
催干剂：0.3份～0.4份；
分散剂：0.2份～0.3份；
消泡剂：0.08份～0.1份；
润湿剂：0.1份～0.3份；
气相二氧化硅：0.4份～0.5份；
防闪锈助剂：0.4份～0.5份；
助溶剂：3份～5份；
沉淀硫酸钡：15份～18份；
滑石粉：5份～9份；
去离水：28份～37份；
增稠剂：0.1份～0.5份；
防锈颜料：3份～5份；
乙组分
导电填料：8份～15份。
具体地，一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料的制备方法，其步骤如下：
S1、取8份～15份的导电填料将其进行表面处理；
S2、取10份～13份的生物基树脂，0.3份～0.6份的PH调节剂，3份～5份的助溶剂，0.3份～0.4份的催干剂按顺序投入分散缸内进行分散处理，分散处理的时间为5～6分钟，速度为 400～600r/min，得到溶液Ⅰ；
S3、取9份～13份的去离子水加入步骤S2中制得的溶液Ⅰ中，进行分散处理，分散处理的时间为5～6分钟，速度为 400～600r/min，得到溶液Ⅱ；
S4、取0.2份～0.3份的分散剂，0.08份～0.1份的消泡剂，0.1 份～0.3份的润湿剂，15份～18份的沉淀硫酸钡，5份～8份的滑石粉，3份～5份防锈颜料，0.4份～0.5份的气相二氧化硅，15份～19 份的去离子水，0.4份～0.5份的防闪锈助剂，以及取65％～70％的步骤S1中经过表面处理的导电填料分别投入步骤S3中制得的溶液Ⅱ中进行分散处理，分散处理的时间为18～22分钟，速度为 600～800r/min，得到溶液Ⅲ；
S5、将步骤S4中得到的溶液Ⅲ放入研磨机中进行研磨处理，研磨处理为研磨至细度小于30微米，研磨处理过程中温度不超过 50℃，对于体系温度的控制是防止温度过高，部分助剂会挥发过快影响总体效果；
S6、将步骤S5中经过研磨处理的溶液Ⅲ重新放入分散缸内，且取10份～12份的生物基树脂以及4份～5份的去离子水进行混合得到溶液Ⅳ，并且用溶液Ⅳ冲洗研磨机并回收至分散缸内，得到溶液Ⅴ；
S7、取30％～35％的步骤S1中经过表面处理的导电填料以及0.1 份～0.5份的增稠剂投入溶液Ⅴ中进行分散处理，分散处理的时间为 5～6分钟，速度为400～600r/min，调整粘度,并使颜色符合标准,生物基防腐-力敏导电涂料制备完成。
具体地，将生物基树脂分两步添加其作用在于：
第一：提高生产效率，先将一部分的生物基树脂添加，重量份少了，则其与其它成分混合分散的时间也会大大缩短，而后续步骤本来就需要分散处理，剩余的生物基树脂与后续步骤再进行添加分散，提高生产效率。
第二：清洗更加彻底，在清洗研磨机的过程中，部分物质是不溶于去离子水的，故在此处再用生物基树脂进行清洗，大大提高了原材料的利用率，避免浪费。
具体地，所述导电填料分两步添加其目的在于，因为第一部分添加的导电涂料后进行研磨，从而增加分散性，改善导电性。第二部分添加的导电涂料为进行研磨，从而增加了灵敏性。
具体地，所述步骤S1中导电填料为纳米炭黑，碳纳米管或者 Mxene，则进行的表面处理步骤为：先将硅烷偶联剂以1:10的比例分散于乙醇的水溶液中，所述乙醇的水溶液其乙醇与水溶液的比例为1:10，得到溶液Ⅵ，再将导电填料投入放有溶液Ⅵ的分散缸内中先进行时间为18～22min，速度为400～600r/min的分散处理，再升温至48℃～50℃，进行时间为28～30min，速度为400～600r/min的分散处理，加热是为了可以降低粘度，有利于导电填料的分散。
所述步骤S1中导电填料为银纳米线或者镍纳米线，则进行的表面处理步骤为：先将硫醇以1:10的比例分散于乙醇的水溶液中，所述乙醇的水溶液其乙醇与水溶液的比例为1:10，得到溶液Ⅶ，再将导电填料放入溶液Ⅶ中进行分散处理。其分散处理为先进行分散时间为18～22min，400～600r/min分散处理，再升温至38℃～40℃，分散时间为28～30min，400～600r/min。
具体地，本发明采用的硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂，在进行表面处理时，硅烷与纳米炭黑，碳纳米管或者Mxene发生反应，带有氨基可以与环氧基团发生反应，促进导电填料与基体的界面反应。
采用硫醇为2-氨基乙硫醇，2-氨基苯硫醇，在进行表面处理时，硫醇的硫与金属纳米线中的金属反应，带有氨基可以与环氧基团发生反应，促进导电填料与基体的界面反应。
具体实例:
实施例一：
CM-3880树脂重量份为：20份；
PH调节剂：0.3份；
CM-001催干剂：0.3份；
490分散剂：0.3份；
901消泡剂：0.1份；
348润湿剂：0.1份；
气相二氧化硅A200：0.5份；
防闪锈助剂Rb60：0.4份；
乙二醇丁醚：3份；
沉淀硫酸钡：15份；
滑石粉：5份；
去离子水：36.7份；
增稠剂：0.3份；
防锈颜料：3份
纳米炭黑或者Mxene：15份。
实施例二：
CM-3880树脂重量份为：25份；
PH调节剂：0.6份；
CM-001催干剂：0.3份；
490分散剂：0.3份；
901消泡剂：0.1份；
348润湿剂：0.1份；
气相二氧化硅A200：0.5份；
防闪锈助剂Rb60：0.4份；
乙二醇丁醚：5份；
沉淀硫酸钡：17份；
滑石粉：5份；
去离子水：31.4份；
增稠剂：0.3份；
防锈颜料：4份
碳纳米管：10份；
实施例三：
CM-3880树脂重量份为：25份；
PH调节剂：0.6份；
CM-001催干剂：0.3份；
490分散剂：0.3份；
901消泡剂：0.1份；
348润湿剂：0.1份；
气相二氧化硅A200：0.5份；
防闪锈助剂Rb60：0.4份；
乙二醇丁醚：5份；
沉淀硫酸钡：17份；
滑石粉：8份；
去离子水：29.4份；
增稠剂：0.3份；
防锈颜料：5份；
银纳米线或者镍纳米线：8份。
实施例一得到的生物基防腐-力敏导电涂料为黑色；
实施例二得到的生物基防腐-力敏导电涂料为黑色；
实施例三得到的生物基防腐-力敏导电涂料为灰色；
由于纳米炭黑，碳纳米管或者Mxene的成本低于银纳米线或者镍纳米线，故所得到的生物基防腐-力敏导电涂料的价格实施例三的价格高于实施例一和实施例二。
实施例一，实施例二，实施例三关于导电率，灵敏度以及防腐效果的指标数据如下：
Figure RE-GDA0002491128600000121
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其特征在于：其成分由甲组分和乙组分组成；
所述甲组分其成分由生物基树脂，助剂，去离子水，助溶剂以及颜料组成；
所述乙组分为导电填料，所述导电填料可以为纳米炭黑，碳纳米管，Mxene，银纳米线或者镍纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其特征在于：
所述助剂由PH调节剂，催干剂，分散剂，消泡剂，润湿剂，增稠剂，气相二氧化硅以及防闪锈助剂组成；
所述助溶剂为醚类助溶剂；
所述颜料由沉淀硫酸钡，滑石粉以及防锈颜料组成。
3.根据权利要求2所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料，其特征在于：所述甲组分和乙组分由以下重量份的原料制备而成：
甲组分
生物基树脂：20份～25份；
PH调节剂：0.3份～0.6份；
催干剂：0.3份～0.4份；
分散剂：0.2份～0.3份；
消泡剂：0.08份～0.1份；
润湿剂：0.1份～0.3份；
气相二氧化硅：0.4份～0.5份；
防闪锈助剂：0.4份～0.5份；
助溶剂：3份～5份；
沉淀硫酸钡：15份～18份；
滑石粉：5份～9份；
去离水：28份～37份；
增稠剂：0.1份～0.5份；
防锈颜料：3份～5份；
乙组分
导电填料：8份～15份。
4.一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
S1、取8份～15份的导电填料将其进行表面处理；
S2、取10份～13份的生物基树脂，0.3份～0.6份的PH调节剂，3份～5份的助溶剂，0.3份～0.4份的催干剂按顺序投入分散缸内进行分散处理，得到溶液Ⅰ；
S3、取9份～13份的去离子水加入步骤S2中制得的溶液Ⅰ中，进行分散处理，得到溶液Ⅱ；
S4、取0.2份～0.3份的分散剂，0.08份～0.1份的消泡剂，0.1份～0.3份的润湿剂，15份～18份的沉淀硫酸钡，5份～8份的滑石粉，3份～5份防锈颜料，0.4份～0.5份的气相二氧化硅，15份～19份的去离子水，0.4份～0.5份的防闪锈助剂，以及取65％～70％的步骤S1中经过表面处理的导电填料分别投入步S3中制得的溶液Ⅱ中进行分散处理，得到溶液Ⅲ；
S5、将步骤S4中得到的溶液Ⅲ放入研磨机中进行研磨处理；
S6、将步骤S5中经过研磨处理的溶液Ⅲ重新放入分散缸内，且取10份～12份的生物基树脂以及4份～5份的去离子水进行混合得到溶液Ⅳ，并且用溶液Ⅳ冲洗研磨机并回收至分散缸内，得到溶液Ⅴ；
S7、取30％～35％的步骤S1中经过表面处理的导电填料以及0.1份～0.5份的增稠剂投入溶液Ⅴ中进行分散处理，生物基防腐导电涂料制备完成。
5.根据权利要求4所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测中生物基防腐导电涂料的制备方法，其特征在于：
所述步骤S1中导电填料为纳米炭黑，碳纳米管或者Mxene，则进行的表面处理步骤为：先将硅烷偶联剂分散于乙醇的水溶液中，得到溶液Ⅵ，再将导电填料投入放有溶液Ⅵ的分散缸内中进行分散处理；
所述步骤S1中导电填料为银纳米线或者镍纳米线，则进行的表面处理步骤为：先将硫醇分散于乙醇的水溶液中，得到溶液Ⅶ，再将导电填料放入溶液Ⅶ中进行分散处理。
6.根据权利要求4所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测中生物基防腐导电涂料的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为400～600r/min；
所述步骤S3中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为400～600r/min；
所述步骤S4中分散处理的时间为18～22分钟，分散速度为600～800r/min；
所述步骤S7中分散处理的时间为5～6分钟，分散速度为400～600r/min。
7.根据权利要求4所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中研磨处理为研磨至细度小于30微米，研磨处理过程中温度不超过50℃。
8.根据权利要求5所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料的制备方法，其特征在于：
所述导电填料为纳米炭黑，碳纳米管或者Mxene，其分散处理为先进行分散时间为18～22min，400～600r/min分散处理，再升温至48℃～50℃，分散时间为28～30min，400～600r/min；
导电填料为银纳米线或者镍纳米线其分散处理为先进行分散时间为18～22min，400～600r/min分散处理，再升温至38℃～40℃，分散时间为28～30min，400～600r/min。
9.根据权利要求5所述的一种用于桥梁建筑保护与健康监测的生物基水性防腐力敏导电涂料的制备方法，其特征在于：
所述乙醇的水溶液其乙醇与水的比例为1:10；
所述硅烷偶联剂与所述乙醇的水溶液的比例为1:10；
所述硫醇与所述乙醇的水溶液的比例为1:10。
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