СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОФОБИЗИРУЮЩЕЙ ВОДНОЙ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PRODUCING A WATER-REPELLENT AQUEOUS EMULSION FOR COATINGS OF CONSTRUCTION MATERIALS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности, к области получения водных эмульсий для обработки материалов и может быть использовано для придания строительным материалам водоотталкивающих свойств.
Известно грязезащитное средство (патент RU 2342413, МПК C09D 1/00, опубл. 27.12.2008), содержащее тонкодисперсные частицы диоксида кремния, воду, поверхностно-активное вещество, соединение щелочноземельного металла, соединение щелочноземельного металла, соединение фосфора, глинистый минерал. Недостатками является то, что покрытие обладает высокой гидрофильностью и сверхнизким контактным углом смачивания, не способное придавать строительным материалам водоотталкивающие свойства.
Известен способ получения кремнийорганического антиадгезионного покрытия (патент RU 2373247, МПК C09D 183/06, опубл. 20.11.2009) получаемого холодным отверждением растворенного в углеводородном растворителе полиэтилгидросилоксана в присутствии оловосодержащего катализатора и пероксида циклогексанона в трихлорэтилфосфате. Недостатком является наличие в составе летучих органических соединений, вредных для окружающей среды.
Известен способ увеличения гидрофильности пористого строительного изделия (патент RU 2633008, МПК С04В 24/42, опубл. 11.10.2017) путем обработки водной суспензией микрокапсул, состоящих из органосилана и полимера на основе кремния. Недостатком является применение в качестве органосилана дорогостоящих алкоксидов кремния, что ведет к общему удорожанию всей суспензии.
Известны смеси, содержащие кремнийорганические соединения, (патент RU 2516298, МПК С04В 24/42, опубл. 20.05.2014), в том числе полиэтилгидросилоксан, а также поливиниловый спирт, используемые для гидрофобизации поверхности. Однако отсутствие в составе низкомолекулярных многоатомных спиртов не позволяет достичь значений высокого контактного угла смачивания данному составу.
Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ получения гидрофобизирующих эмульсий, описанный в Рекомендациях по приготовлению и применению гидрофобизированных бетонов и растворов (Москва, НИИЖБ Госстроя СССР, 1984, 14 с.) и эмульсия КЭ-30-04 описанная ТУ 6-02-816-78, состоящая из полиэтилгидросилоксана (ГКЖ-94 марки 136-41), поливинилового спирта (сольвар) и воды, получаемая следующим способом. Вначале получают 4%-ный раствор поливинилового спирта, добавлением ПВС в холодную воду. После введения эмульгатора в воду, раствор хранят закрытым, при комнатной температуре 1 сутки, в течение которых происходит набухание эмульгатора. Через сутки раствор подогревают до температуры 70-80°С, которую поддерживают до полного растворения эмульгатора. В течение всего времени нагревания необходимо постоянное перемешивание раствора. После полного растворения эмульгатора раствор охлаждают до комнатной температуры и процеживают. Водную эмульсию полиэтилгидросилоксана в растворе поливинилового спирта приготавливают в быстроходном смесителе, в который сначала вливают охлажденный 4%-ный раствор поливинилового спирта и постепенно вливают ГКЖ-94 (5 раз в течение 6-7 мин). Соотношение ГКЖ-94 и раствора поливинилового спирта принимают 1:1 (по массе). Недостатком прототипа, по мнению заявителя, является то, что полученная водная эмульсия полиэтилгидросилоксана, характеризуется тем, что при нанесении на поверхность строительных материалов, формирует покрытия с низким контактным углом смачивания (<90°), что обуславливает низкие водоотталкивающие свойства.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение гидрофобизирующей водной эмульсии которая после нанесения на поверхность строительных материалов, повышает водоотталкивающие свойства последних.
Задача решается за счет того, что в предварительно термостатированный полиэтилгидросилоксан, постепенно вводят раствор поливинилового спирта, после чего, в полученную эмульсию добавляют низкомолекулярный многоатомный спирт.
Технический эффект от применения состава, полученного предлагаемым способом, заключается в формировании покрытия с повышенным контактным углом смачивания, что положительно влияет на улучшение его водоотталкивающих свойств.
Состав, полученный предлагаемым способом, отличается добавлением низкомолекулярного многоатомного спирта в эмульсию и применением метода инверсии фаз, что приводит к еще большему увеличению угла смачивания от 90° (на плоской поверхности - стекло, керамика и т.п.) до 150° (на рельефной - бетон, кирпич и т.п.), что минимум на 40° выше, по сравнению с прототипом.
Исследования показали, что введение водного раствора эмульгатора в полиэтилгидросилоксан (метод инверсии фаз) при температуре (60-70°С) позволяет добиться более однородной микроструктуры (фиг. 1б). Введение полиэтилгидросилоксана в водный раствор эмульгатора (прототип) обеспечивает худшее растворение полиэтилгидросилоксана, что проявляется в наличии двойных структур в растворе (фиг. 1а). Недостаточный нагрев (ниже 60°С) также обеспечивает наличие двойных структур в растворе (таблица 1). Подъем температуры выше 60°С нецелесообразен, поскольку повышает энергоемкость.
Наличие двойных структур приводит к уменьшению контактного угла смачивания для аналогичного состава на 40°, что необратимо ухудшает водоотталкивающие свойства.
Исследования показали, что введение низкомолекулярного многоатомного спирта (этиленгликоля) в получаемую эмульсию, а также повышение однородности эмульсии повышает контактный угол смачивания, что было доказано ранее [Ищенко А.В. и др. Стабилизация и коалесценция гидрофобизирующих эмульсий на основе полисилоксановой жидкости // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия. Том 4 (70). 2018. №2. С. 203-213]. Как показали исследования, введение низкомолекулярного многоатомного спирта в эмульсию в количестве до 10% от общей массы повышает контактный угол смачивания сформированной поверхности. Увеличение концентрации выше 10% приводит к уменьшению контактного угла смачивания (таблица 2).
Представителями низкомолекулярных многоатомных спиртов являются (по мере эффективности увеличения контактного угла смачивания): тетраэтиленгликоль, трипропиленгликоль, триэтиленгликоль, дипропиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, этиленгликоль.
Пример 1.
Дистиллированную воду (удовлетворяющую требованиям ГОСТ 6709-72) предварительно дегазировали нагреванием до температуры кипения воды (без кипячения), охлаждали до комнатной температуры. В охлажденную воду, при слабом перемешивании, малыми порциями вводили порошок ПВС (PVAL 088-05 по EN ISO 15023) из расчета 10% от общей массы раствора. Далее, раствор нагревали до температуры 80°С и перемешивали до полного видимого растворения порошка ПВС в течение 60 минут, затем снова охлаждали до комнатной температуры. Охлажденный раствор помещали в дозатор с контролем постоянства объемного расхода, из расчета 60% от общей массы эмульсии. Одновременно с этим, в гомогенизатор помещали полиэтилгидросилоксан ГКЖ-94 (марки 136-41 по ГОСТ 10834-76) из расчета 40% от общей массы эмульсии. Полиэтилгидросилоксан нагревали до температуры 60°С, с одновременным перемешиванием в гомогенизаторе со скоростью 9,5-10 тыс. об/мин. После достижения температуры 60°С, постепенно, в течение 90 минут, добавляли раствор ПВС. В полученную эмульсию вводили пропиленгликоль из расчета 10% от общей массы эмульсии. Полученную эмульсию сливали из гомогенизатора, для фасовки и упаковки.
Полученная эмульсия, имеющая вязкость 700 мПа⋅с (измерена в соответствии с ГОСТ 25276-82), была разбавлена до рабочей вязкости (20 мПа⋅с) и нанесена на поверхность стекла распылением. Испытание данной эмульсии показало увеличение контактного угла для стекла с практически нулевым контактным углом до значения 100,85° (фиг. 2). Аналогичное испытания на поверхности кирпича (фиг. 3) и бетона (фиг. 4) показало увеличение контактного угла смачивания до 120,7° и 126,25° соответственно. В результате, строительные материалы становятся гидрофобными и приобретают водоотталкивающую способность.
Пример 2.
Дистиллированную воду (удовлетворяющую требованиям ГОСТ 6709-72) предварительно дегазировали нагреванием до температуры кипения воды (без кипячения), охлаждали до комнатной температуры. В охлажденную воду, при слабом перемешивании, малыми порциями вводили порошок ПВС (PVAL 088-05 по EN ISO 15023) из расчета 10% от общей массы раствора. Далее, раствор нагревали до температуры 80°С и перемешивали до полного видимого растворения порошка ПВС в течение 60 минут, затем снова охлаждали до комнатной температуры. Охлажденный раствор помещали в дозатор с контролем постоянства объемного расхода, из расчета 60% от общей массы эмульсии. Одновременно с этим, в гомогенизатор помещали полиэтилгидросилоксан ГКЖ-94 (марки 136-41 по ГОСТ 10834-76) из расчета 40% от общей массы эмульсии. Полиэтилгидросилоксан нагревали до температуры 60°С, с одновременным перемешиванием в гомогенизаторе со скоростью 9,5-10 тыс. об/мин. После достижения температуры 60°С, постепенно, в течение 90 минут, добавляли раствор ПВС. В полученную эмульсию вводили этиленгликоль из расчета 10% от общей массы эмульсии. Полученную эмульсию сливали из гомогенизатора, для фасовки и упаковки.
Полученная эмульсия, имеющая вязкость 750 мПа⋅с (измерена в соответствии с ГОСТ 25276-82), была разбавлена до рабочей вязкости (20 мПа⋅с) и нанесена на поверхность стекла распылением. Испытание данной эмульсии показало увеличение контактного угла смачивания для стекла с практически нулевым контактным углом до значения 106,4° (фиг. 5). Аналогичное испытания на поверхности бетона (фиг. 6) и кирпича (фиг. 7) показало увеличение контактного угла смачивания до 145,55° и 138,55° соответственно. В результате, строительные материалы становятся гидрофобными и приобретают качественную водоотталкивающую способность.
Значение контактного угла смачивания покрытия, образуемого при помощи эмульсии, полученной по прототипу, показано на фиг. 8 (на стекле).
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.
Способ получения гидрофобизирующей водной эмульсии для покрытий строительных материалов
Влияние температуры на структуру эмульсии.
Влияние концентрации низкомолекулярного многоатомного спирта на контактный угол смачивания