新型水性有机硅水泥混凝土防水剂的研制

班文彬1,2，刘伟区1，申德妍1,2，侯孟华1,2
（1.中国科学院广州化学研究所，广东 广州 510650；2.中国科学院研究生院，北京100039）

水性有机硅因避免了采用各种溶剂来稀释有机硅化合物，避免了溶剂的毒性、挥发性及易燃性等不足，且具有优良的防水和耐化学腐蚀等性能，近年来作为建筑防水剂如水泥混凝土防水剂获得了广泛应用[1,2]。在水泥混凝土中应用的水性有机硅防水剂主要有甲基硅醇盐和含氢硅油乳液及烷基烷氧基硅烷等几类。甲基硅醇盐因其碱性太强，作为水泥混凝土防水剂存在速凝、耐久性差等缺点；水性含氢硅油和烷基烷氧基硅烷类属外乳化乳液，产品稳定性较差，特别是掺入水泥材料后易破乳，起不到应有的技术作用[3,4]。因此，如能研制出一类在水中稳定放置，掺入水泥材料后又不会破乳的水性有机硅水泥混凝土防水剂，其将会具有优良的应用性能和大规模的推广应用前景。
本文采用204 水溶性有机硅油，硅烷偶联剂-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)及甲苯二异氰酸酯(TDI)等为原材料，在无溶剂的条件下，根据高分子反应接枝共聚和水泥混凝土防水原理，将活性硅烷偶联剂成功地接枝共聚到204 水溶性有机硅油上，制备了一系列含活性硅烷基类有机硅半透明液、微乳液及乳液型水泥混凝土防水剂。通过研究该类防水剂对水泥沙浆的力学强度、吸水率等性能的影响，分析相应的作用机理，为研制出一类能在水中稳定放置，掺入水泥材料后又不会破乳，且具优良应用性能的新型水性有机硅水泥混凝土防水剂提供技术和理论依据。

1 实验部分
1.1 主要原材料
甲苯二异氰酸酯(TDI) ：化学纯，上海五联化学试剂厂；γ - 氨丙基三乙氧基硅烷(APTES) ：化学纯，广州科特化学试剂有限公司；204水溶性硅油：工业纯，蓝星星火化工厂；水泥 ：32.5R 普通硅酸盐水泥，广州花都水泥厂；标准砂 ：符合GB/T17671-1999 规定的ISO 新标准砂。

1.2 含硅烷偶联剂水性有机硅的合成
在带有高速分散机、高纯氮气保护、温度计的密闭反应器中加入定量的TDI与204水溶性硅油，在0℃冰浴条件下通过恒压漏斗滴加APTES，其中 ：n (TDI)∶n (APTES) = 1∶1，约1.0 h滴加完毕，然后温度控制在70~75℃下油浴反应3.5~4.0 h，得到终产物。改变m (204-Si)/m (AT)的值，即制备得到一系列的终产物。有关的化学反应式如下：

1.3 水性有机硅防水剂的制备
在5℃蒸馏水中，加入定量的上述产物，高速剪切乳化15 min，按照m (204-Si)/ m (AT)的值不同，即上述终产物中硅氧基含量不同，分别得到w (MP-204)=30%的有机硅半透明液、微乳液或乳液型水性有机硅防水剂。

1.4 结构表征及水性有机硅防水剂的性能测试
1.4.1 结构表征
红外光谱(IR)用美国Analect 公司RFX-65 傅立叶红外光谱转换光谱仪测定。

1.4.2 性能试验
试验配合比 ：灰砂比采用1∶1。拌合水的用量根据GB 8076-1997 和JGJ 56-1984 规定的试验方法通过砂浆流动度试验来确定，其中空白砂浆下水灰比为0.40，掺有水性有机硅防水剂下水灰比为0.35。砂浆试样制备和测试 ：先将准确称量的水泥和符合GB/T 17671-1999 规定的ISO 新标准砂混合均匀，然后按水泥胶砂强度试验方法GB 177-85 的规定，加入含设定量水性有机硅防水剂的拌合水搅拌3 min。砂浆按照GB 177-85 的规定进行成型，在温度(20 ± 3)℃、相对湿度(95 ± 5)%的条件下养护24h 后脱模，接着在温度(20 ± 3)℃、相对湿度(65 ±10)%的空气中养护28 d。分别按照GB 177-85和GB11972-89的规定进行砂浆抗压强度和吸水率的测定。

2 结果与讨论
2.1 204水溶性硅油和含硅烷偶联剂的改性硅油的结构表征
原204水溶性硅油和所得的含硅烷偶联剂的改性硅油的FTIR 谱分别见谱图a，b，c 。

图1 水溶性硅油及不同投料比(质量比)所制得的两种改性硅油的傅立叶变换红外光谱图
a 各吸收峰的归属为：3490 cm-1 为— OH 的伸缩振动峰；在2960~2850 cm-1 处为饱和C— H伸缩振动峰；1450~1350 cm-1处是饱和C—H变形振动峰；1260 cm-1 为Si — CH3 中— CH3 弯曲振动峰 ；806 cm-1是Si — CH2 振动峰；1108 cm-1 出现的是C— O — C伸缩振动峰；Si —O — Si 伸缩振动峰应该在1095~1015 cm-1 处，由于与C — O — C 伸缩振动峰重叠，故在1100 cm-1附近出现一较强的宽峰。同a 比较，b、c 出现了一些特征峰，尤其以c较为明显，3324 cm-1 是N —H伸缩振动峰；1640~1600 cm-1为N—H变形振动峰；1730 cm-1明显是氨酯基中C=O 伸缩振动峰，且看到a 的羟基峰在图b，c 中逐渐不明显，这些都说明偶联剂通过TDI 按预期反应顺利接到了此水溶性硅油分子中。