一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法
2024-03-28 06:28:05
專利名稱：一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法
技術領域：
本發明屬於建築防水和固體粉末化技術領域，涉及一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法。
背景技術：
眾所周知，有機矽聚合物具有兩個最顯著的特點低表面張力和高耐氧化性。低表面張力會產生優良的疏水性，高耐氧化性使有機矽化合物具有耐氧、臭氧、紫外光作用。有機矽化合物已成為建築材料憎水處理的主要材料，特別是其中帶有一定反應活性基的矽烷 /聚矽氧烷類有機矽化合物。當這些機矽材料塗刷於矽酸鹽基材表面或摻入其拌合物中時， 帶有反應活性基的矽氧烷，不但能通過活性基團的相互作用形成網狀疏水性矽氧烷膜，還能與矽酸鹽基材中的羥基發生縮合反應形成末端帶有烷基的矽烷鏈(如圖1所示)。這種疏水性網狀矽氧烷分子膜具有很低的表面張力，能均勻的分布在壁上，而不是封閉其毛細管通道，水在毛細管壁的接觸角為100° 130°以上，使滴在其上的水成為小水珠，無法滲入到基材內部。這樣，經有機矽處理過的基材就具有良好的防水效應，有效的阻止水分的浸入，又由於它並沒有封閉基材毛細管通道，不妨礙水汽由裡向外擴散，使得基材具有好的透氣性。 又因為Si-O鍵的鍵能較高，有機矽憎水膜具有優異的耐候性，因此防水效果持久，其防水層的壽命一般可達10 15年。因而，有機矽材料作為理想的建築防水材料，已廣泛用作磚瓦、墓碑、石刻、道路、 橋梁、混凝土構件、陶瓷等建築材料的防水劑。然而，有機矽防水劑以乳液或微乳液等液態形式為主，液態防水劑有穩定性差、不易運輸儲存等缺點，如烷氧基矽烷加水易分解，同時分解後易引起縮合反應，在水中穩定存在非常困難。另外，液態防水劑不能用於乾粉類產品中，如近年蓬勃發展的乾粉砂漿。本發明採用噴霧乾燥法製備有機矽微膠囊粉末防水劑。噴霧乾燥法是利用霧化器將料液分散為細小的霧滴，並通過熱空氣(或其它氣體)與霧滴直接接觸的方式而獲得粉粒狀產品的一種乾燥過程。一般噴霧乾燥包括四個階段料液霧化；霧群與熱乾燥介質接觸混合；霧滴的蒸發乾燥；乾燥產品與乾燥介質分離。第一階段和第二階段是噴霧乾燥獨有的特徵。第一階段霧化的目的在於將料液分散成微細的霧滴，這些霧滴具有較大表面積，當其與熱空氣接觸時，霧滴中水分迅速汽化而乾燥成粉末或顆粒產品。噴霧乾燥開始只用於蛋粉、奶粉等少數產品的生產，隨著研究的不斷深入和發展， 現已在化學、醫藥、食品、水泥、陶瓷、林業、水產、冶金等工業生產中廣泛應用。目前，國內採用噴霧乾燥法已成功地對核桃油、獼猴桃籽油等油脂及姜油、花椒油等香精香料實現了微膠囊化。如張煥新等人採用噴霧乾燥法製備銀杏油微膠囊，將銀杏油包裹在環糊精和和阿拉伯膠構成的壁材內，使其免受環境的條件影響，並能屏蔽其味道、顏色、氣味等。
發明內容
本發明的目的在於提供一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是本發明提供了一種核殼結構的微膠囊，有機矽高效防水劑作為核材或稱芯材被封裝在殼層材料或稱壁材內。微膠囊所要達到的特徵要求微膠囊未接觸水前，有機矽高效防水劑包封在微膠囊殼材內，不得釋放；而一經接觸水，有機矽高效防水劑立即釋放，以便於進一步的反應，從而賦予基材疏水性。本發明製備的有機矽微膠囊粉末所需要的壁材、芯材等材料應根據有機矽微膠囊粉末防水劑所要達到的特徵要求來選擇。首先選擇具有疏水性能的矽基防水劑。常用作建築防水的有機矽化合物種類較多，如矽烷，聚矽氧烷，甲基矽醇鹽、含氫矽油、羥基矽油及矽樹脂等，特別是以由含6 10 個碳原子烷基和1 4個碳原子的烷氧基構成的矽烷或聚矽氧烷，具有良好的憎水性、滲透性，能抗多種腐蝕介質(稀酸、鹼、鹽、潮熱空氣和有機溶劑)的作用，能阻止黴菌的侵蝕。為了能將矽基防水劑包裹，並在與水接觸後被釋放，選擇水溶高分子聚合物作為包裹矽基防水劑的壁材。常用的水溶性聚合物有聚乙烯醇、甲基纖維素醚、羥丙甲纖維素、 聚乙烯基吡咯烷酮等，其中使用最多的是聚乙烯醇。因為它不僅具有良好的成膜性、粘接力和乳化性，而且有卓越的耐油脂和耐溶劑性能。聚乙烯醇添加於噴霧乾燥分散液體系中，不僅能作為壁材來包裹矽基防水劑，而且對整個體系起保護穩定作用，因此，常被稱為保護膠體。另外，由聚乙烯醇製得的粉末還具有良好的再分散性。為了防止聚合物顆粒在噴霧乾燥過程或後期儲存中發生聚集或結塊現象，在體系中加入一定量的填料。常用作填料的物質有二氧化矽、碳酸鈣、偏高嶺土等極細的無機礦物。本發明先將選好的壁材、芯材在水溶液中通過乳化包埋工藝將有機矽高效防水劑包裹在壁材內形成微膠囊液滴，再採用噴霧乾燥工藝將微膠囊液滴乾燥成有機矽微膠囊粉末。一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法，包括以下步驟(1)將水溶性高分子聚合物壁材製成水溶液；(2)將礦物填料與有機矽高效防水劑按一定比例混合，形成勻質分散體；(3)向步驟( 獲得的分散體中加入步驟(1)獲得的聚合物溶液和其他助劑，分散，形成勻質穩定乾燥分散液；(4)將步驟(3)得到的均勻穩定分散液經噴霧乾燥得到一定細度的有機矽防水劑微膠囊粉末；(5)收集產品，密封保存。所述的水溶性高分子聚合物壁材選自聚乙烯醇、甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙甲纖維素、聚乙烯基吡咯烷酮、明膠、阿拉伯膠樹膠、麥芽糊精或澱粉等中的一種或幾種，優選聚乙烯醇，因為它不僅具有良好的成膜性、粘接力和乳化性，而且還是優秀的保護膠體，能起穩定作用。所述的步驟(1)中，水溶性高分子聚合物壁材在溶液中的質量分數為2% 30%，優選3% 20% ；溶解溫度為室溫至100°C，溶解時間小於等於30min。所述的礦物填料選自無機礦物填料。所述的無機礦物填料選自極細偏高嶺土、極細碳酸鈣、極細白炭黑、極細二氧化矽、極細沸石粉或極細滑石粉中的一種或幾種，其粒徑為10 IOOnm ；其用量為高效有機矽防水劑質量的0 40 %，優選8 % 30 %。所述的高效有機矽防水劑選自聚矽氧烷或矽烷中的一種或兩種。所述的高效有機矽防水劑聚矽氧烷為聚矽氧烷液體或聚矽氧烷樹脂，優選聚矽氧烷液體，優選甲基矽油、羥基矽油、含氫矽油等；所述的高效有機矽防水劑矽烷優選由含6 10個碳原子的烷基和1 4個碳原子的烷氧基構成的矽烷；所述的高效有機矽復型防水劑，是指矽烷和聚矽氧烷按99 50 1 50的質量比復配，優選復配質量比為97 70 3 30，具有良好的憎水性、滲透性，能抗多種腐蝕介質(稀酸、鹼、鹽、潮熱空氣和有機溶劑)的作用，能阻止黴菌的侵蝕。所述的高效有機矽防水劑的用量佔有機矽微膠囊粉末總質量的25% -80%。所述的步驟(3)中，高分子聚合物壁材佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的 10% 60%，優選 20% 45%。所述的步驟(3)中攪拌速度為300r/min 3000r/min，攪拌時間為0 池，攪拌速度優選為900r/min 2000r/min ；攪拌時間優選為30min 90min。所述的助劑為乳化劑。所述的乳化劑為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑或非離子表面活性劑中的一種或幾種，優選脫水山梨醇單硬脂酸酯(吐溫-80)，聚氧乙烯醚(司盤-80)，失水山梨醇單油酸脂(0P-20)，烷基酚與環氧乙烷的縮合物(0P-10)或十二烷基苯磺酸鈉的一種或幾種；所述的乳化劑用量為有機矽防水劑用量的0 7%。所述的步驟(4)的乾燥條件為進風溫度105°C 200°C，出口溫度40°C 105°C， 噴霧頭轉速lOOOOr/min 35000r/min，進料速度以液料能被及時分散為宜，進風溫度優選 125°C 180°C，出口溫度 60°C 90°C，噴霧頭轉速 15000r/min 30000r/min。所述的步驟⑷中，有機矽微膠囊粉末的細度為ΙΟμπι ΙΟΟμπι，優選20 100 μ m0所述的有機矽微膠囊粉末防水劑中聚矽氧烷或/和矽烷的含量佔有機矽微膠囊粉末防水劑質量的50-80%。本發明的優點在於本發明所製得的有機矽微膠囊粉末防水材料為易分散、可流動白色的粉末，可以直接內摻於水泥、混凝土、砂漿、密封接縫材料、石膏、灌漿材料中，也可直接作為乾粉砂漿、 無機塗料及乳膠粉的添加劑，以改善它們的耐水性和疏水性。本發明採用無溶劑設計、無毒無汙染。本發明得到的產品為粉末狀的有機矽高效防水劑，極低摻量下就可獲得傑出疏水效果。
圖1本發明獲得有機矽粉末防水材料。
圖2有機矽核殼結構微膠囊示意圖，其中1為有機矽核；2為殼。圖3本發明獲得的有機矽粉末防水材料的憎水率曲線圖。
具體實施例方式下面結合實例作進一步詳細說明實施例1(1)將固態聚乙烯醇邊攪拌邊加入室溫水中，並將水加熱至70°C左右，溶解時間大約30min，然後冷卻至室溫，濃度2% ；(2)選擇納米碳酸鈣為無機礦物填料；將聚二甲基矽氧烷和異丁基三乙氧基矽烷按3 97的質量比復配成復型高效有機矽防水劑佔有機矽微膠囊粉末總質量的63% ；將佔高效有機矽防水劑總質量15 %的納米碳酸鈣加入復型防水劑中，然後放入超聲分散儀中 15min，製成均勻分散體；(3)將步驟(1)製備的聚乙烯醇水溶液，再加入的分散體中，使聚乙烯醇聚合物佔有機矽微膠囊粉末總質量的觀％，置於高剪切分散儀中30min，攪拌速度900r/min，獲得勻質穩定噴霧乾燥分散液；(4)開啟噴霧乾燥器(0PD-8，上海大川原設備有限公司)，進行預熱。然後將噴霧分散液置於噴霧乾燥器的進料裝置中進行噴霧乾燥，設定參數進風溫度135°C，出口溫度 50°C，噴霧頭轉速15000r/min，進料速度3L/h ；(5)收集停留在噴霧乾燥器和旋風分離器兩部分的有機矽粉末，得到細度為50 80 μ m的有機矽微膠囊粉末；採用索氏提取法測定微膠囊產率，採用光學顯微鏡觀察有機矽微膠囊產品的顆粒大小和粒徑分布，進一步用掃描電鏡觀察微膠囊的表面形貌和壁材厚度，通過摩擦或切片法將微膠囊打破，厚度為0. 2 10 μ m，並用紅外分光譜分析手段分析各材料在製備過程是否發生反應。本實施例中微膠囊產率為92%，有機矽佔微膠囊總量的58%，微膠囊壁厚為5μπι
左右ο在真空乾燥的過程中，分散液要在真空乾燥箱中乾燥幾個小時。在噴乾燥的過程中，分散液瞬間被乾燥成固體粉末，受熱乾燥的時間僅為數十秒，噴霧乾燥較傳統真空乾燥或減壓乾燥工藝有分散液受熱時間短、乾燥效率高；噴霧乾燥的產率高達90%以上，而真空乾燥只有70%左右；製備的產品流動性、鬆散度好，粒徑細而均勻，可再分散性好；且不需要粉碎等步驟等優點。實施例2(1)將固態聚乙烯醇邊攪拌邊加入室溫水中，並將水加熱至70°C左右，溶解時間大約30min，然後冷卻至室溫，濃度8% ；(2)選擇納米偏高嶺土為礦物填料；將聚二甲基矽氧烷和辛基三乙氧基矽烷按 50 50的質量比復配成復型高效有機矽防水劑，本實施例中有機矽防水劑的具體用量佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的66. 7 % ；再稱取佔高效防水劑總質量18 %的納米偏高嶺土加入防水劑中，然後放入超聲分散儀中30min，製成均勻分散體；(3)將步驟(1)製備的聚乙烯醇水溶液，再加入O)的分散系中，使聚乙烯醇聚合物佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的18%，並加入由司盤-80和吐溫-80按1 1.3質量比配製的乳化劑，乳化劑佔高效有機矽防水劑總質量的5%，然後置於高剪切分散儀中lh， 攪拌速度1500r/min，獲得勻質穩定噴霧分散液；(4)開啟噴霧乾燥器(0PD-8，上海大川原設備有限公司)，進行預熱。然後將噴霧乾燥分散液置於噴霧乾燥器的進料裝置中進行噴霧乾燥，設定參數進風溫度180°C，出口溫度65 °C，噴霧頭轉速20000r/min，進料速度3L/h ；(5)收集停留在噴霧乾燥器和分離器兩部分的有機矽粉末，得到細度為10 30 μ m的有機矽微膠囊粉末。本實施例的微膠囊產率為90%，有機矽佔微膠囊總量的60%，微膠囊壁厚為3μπι
左右ο本發明獲得的有機矽粉末防水材料的憎水率曲線圖如圖2所述。其中樣1和樣2 分別採用實施例1和實施例2獲得有機矽微膠囊粉末產品，有機矽分別佔微膠囊總量58% 和60%，液態有機矽是聚二甲基矽氧烷和辛基三乙氧基矽烷按3 97質量比復配的復型高效有機矽防水劑，用量都為佔乾粉總量的0. 3%。實施例3(1)將固態聚乙烯醇邊攪拌邊加入室溫水中，並將水加熱至70°C左右，溶解時間大約30min，然後冷卻至室溫，濃度20% ；(2)選擇納米二氧化矽為無機礦物填料；選擇丁基三乙氧基矽烷為高效有機矽防水劑，本實施例中有機矽防水劑的具體用量佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的； 將佔高效有機矽防水劑總質量8%的納米二氧化矽加入防水劑中，然後放入超聲分散儀中 15min，製成均勻分散體；(3)將步驟(1)製備的聚乙烯醇水溶液，再加入O)的分散體中，使聚乙烯醇聚合物佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的42%，置於高剪切分散儀中90min，攪拌速度 2000r/min，獲得勻質穩定噴霧乾燥分散液；(4)開啟噴霧乾燥器(0PD-8，上海大川原設備有限公司)，進行預熱；然後將噴霧分散液置於噴霧乾燥器的進料裝置中進行噴霧乾燥，設定參數進風溫度160°C，出口溫度 75 0C，噴霧頭轉速30000r/min，進料速度3L/h ；(5)收集停留在噴霧乾燥器和旋風分離器兩部分的有機矽粉末，得到細度為10 20 μ m的有機矽微膠囊粉末。本實施例中微膠囊產率為95 %，有機矽佔微膠囊總量的51.3%，微膠囊壁厚為 8 μ m0實施例4(1)將成膜物質羥乙基纖維素溶解在室溫水中，並且邊攪拌邊加入水中，溶解時間大於20min，質量分數為30 %。(2)選擇大約為IOOnm的滑石粉為無機礦物填料；選擇甲基三乙氧基矽烷為高效有機矽防水劑，本實施例中有機矽防水劑的具體用量佔有機矽微膠囊粉末防水劑總量的 55% ；將佔高效有機矽防水劑總質量20%的納米二氧化矽加入防水劑中，然後放入超聲分散儀中15min，製成均勻分散體；(3)將步驟(1)製備的羥乙基纖維素水溶液，再加入O)的分散體中，使羥乙基纖維聚合物佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的30 %，並加入佔有機矽高效防水劑質量7 % 的乳化劑吐溫-60，置於高剪切分散儀中90min，攪拌速度2000r/min，獲得勻質穩定噴霧乾燥分散液；(4)開啟噴霧乾燥器(0PD-8，上海大川原設備有限公司)，進行預熱；然後將噴霧分散液置於噴霧乾燥器的進料裝置中進行噴霧乾燥，設定參數進風溫度200°C，出口溫度 80 0C，噴霧頭轉速30000r/min，進料速度3L/h ；(5)收集停留在噴霧乾燥器和旋風分離器兩部分的有機矽粉末，得到細度為10 30 μ m的有機矽微膠囊粉末。本實施例中微膠囊產率為90%，有機矽佔微膠囊總量的50%，微膠囊壁厚為 8 μ m0本發明獲得有機矽粉末防水劑(如圖2所示)，為白色粉末，其中1為有機矽核； 2為殼。矽基高效防水劑含量約為60%，推薦摻量為膠凝材料的0.15% 0.5%。按標準 JC474-2008中砂漿吸水量測試方法，對比添加有機矽粉末防水劑的砂漿、添加不經處理的液態有機矽防水劑和未添加任何防水劑的空白砂漿的吸水率，結果如圖3，其中樣1和樣2 是實施例1和實施例2獲得有機矽粉末。從圖中可以看出添加了本發明防水劑的砂漿試塊吸水率遠小於空白砂漿，即使砂漿連續吸水時間長達21d，砂漿吸水量也很小，說明有機矽防水劑具有長期耐水性。另外，將液態有機矽製成粉末狀後，其疏水性能未下降，說明噴霧乾燥過程沒有改變原液態有機矽防水劑的性能。上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將水溶性高分子聚合物壁材製成水溶液；(2)將礦物填料與高效有機矽防水劑按一定比例混合，形成勻質分散體；(3)向步驟( 獲得的分散體中加入步驟(1)獲得的聚合物溶液和其他助劑，分散，形成勻質穩定乾燥分散液；(4)將步驟( 得到的均勻穩定分散液經噴霧乾燥得到一定細度的有機矽防水劑微膠囊粉末；(5)收集產品，密封保存。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的水溶性高分子聚合物壁材選自聚乙烯醇、甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙甲纖維素、聚乙烯基吡咯烷酮、明膠、阿拉伯膠樹膠、麥芽糊精或澱粉中的一種或幾種，優選聚乙烯醇。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的礦物填料選自無機礦物填料。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述的無機礦物填料選自極細偏高嶺土、 極細碳酸鈣、極細白炭黑、極細二氧化矽、極細沸石粉或極細滑石粉中的一種或幾種，其粒徑為10 IOOnm ；其用量為高效有機矽防水劑質量的0 40%，優選8% 30%。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的高效有機矽防水劑選自聚矽氧烷或矽烷中的一種或兩種。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述的聚矽氧烷為聚矽氧烷液體或聚矽氧烷樹脂，優選聚矽氧烷液體，優選甲基矽油、羥基矽油或含氫矽油；或所述的高效有機矽防水劑矽烷優選由含6 10個碳原子的烷基和1 4個碳原子的烷氧基構成的矽烷；或所述的高效有機矽復型防水劑為矽烷和聚矽氧烷按99 50 1 50的質量比復配，優選復配的質量比為97 70 3 30;或所述的高效有機矽防水劑的用量佔有機矽微膠囊粉末質量的25% -80%。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的步驟(1)中，水溶性高分子聚合物壁材在溶液中的質量分數為2% 30%，優選3% 20% ；溶解溫度為室溫至100°C，溶解時間小於等於30min ；或所述的步驟C3)中，高分子聚合物壁材佔有機矽微膠囊粉末防水劑總質量的10% 60%，優選20% 45% ；所述的步驟(3)中攪拌速度為300r/min 3000r/ min,攪拌時間為0 汕，攪拌速度優選為900r/min 2000r/min ；攪拌時間優選為30min 90mino
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的助劑為乳化劑。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於所述的乳化劑為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑或非離子表面活性劑中的一種或幾種，優選脫水山梨醇單硬脂酸酯，聚氧乙烯醚，失水山梨醇單油酸脂，烷基酚與環氧乙烷的縮合物或十二烷基苯磺酸鈉的一種或幾種；所述的乳化劑用量為有機矽防水劑用量的0 7%。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的步驟的乾燥條件為進風溫度 105°C 200°C，出口溫度 40°C 105°C，噴霧頭轉速 10000r/min ;35000r/min，進料速度以液料能被及時分散為宜，進風溫度優選125°C 180°C，出口溫度60°C 90°C，噴霧頭轉速15000r/min 30000r/min ；或所述的步驟中，有機矽微膠囊粉末的細度為 10 μ m 100 μ m,優選20 100 μ m ；或所述的有機矽微膠囊粉末防水劑中聚矽氧烷或/和矽烷的含量佔有機矽微膠囊粉末防水劑質量的50-80%。
全文摘要
本發明屬於建築防水和固體粉末化領域，涉及一種有機矽微膠囊粉末防水劑的製備方法，包括以下步驟將水溶性高分子聚合物壁材製成水溶液；將極細無機礦物填料與有機矽高效防水劑按一定比例混合，形成勻質分散體；向上述分散體中加入聚合物溶液和其他助劑，分散，形成勻質穩定乾燥分散液；均勻穩定分散液經噴霧乾燥得到一定細度的有機矽防水劑微膠囊粉末；收集產品，密封保存。本發明採用的水溶性聚合物成膜壁材、無機填料和有機矽高效防水芯材性能良好，對基礎材料性能無明顯不良影響，採用的設備易操作，本發明所製得的有機矽粉末呈白色；具有傑出憎水性和水蒸汽透過性；可再分散，與水具有優良和易性；無溶劑設計，健康環保。
文檔編號B01J13/04GK102226072SQ20111011732
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月6日 優先權日2011年5月6日
發明者夏小丹, 張永娟, 張 雄 申請人:同濟大學