纳米SiO2-复合微球的制备及混凝土表面疏水化防护研究

摘要

纳米SiO2因其具有优异的性能而广泛应用于塑料、涂料、橡胶、胶粘剂、陶瓷等。核壳结构纳米SiO2材料具有尺寸、组成、形态和结构可控的优点，在光学、电学、磁学、催化、生物医学和光子晶体等领域表现出了新颖的特性，在未来新能源、新材料领域中具有很大的应用前景，成为了科研工作研究的热点。
　　混凝土作为使用最广泛的建筑材料因常暴露在大气环境下，容易产生腐蚀、碳化和开裂等形式的破坏，这严重影响了混凝土的耐久性和使用寿命。混凝土的破坏常常从表面开始，表现为以水为载体侵入混凝土内部。通过对混凝土表面进行疏水防护处理，能够有效地阻止水分的进入，从而起到保护混凝土、提高耐久性的作用。
　　本学位论文制备了纳米SiO2、SiO2@Ni复合微球和Ni空心微球，对所制备的微球的结构、组成及催化性能等进行了研究。此外，用简便的方法制备了一种含有纳米SiO2的超疏水防护剂，对防护剂的疏水性能及其功能性进行了详细考察，并探讨了防护剂对混凝土材料的防护效果。主要研究内容和结论如下:
　　(1)根据经典的St(o)ber法制备了粒径为200-500 nm的SiO2微球。然后，通过简单的方法将Ni2+还原沉积在SiO2微球表面，制备得到了具有覆盆子状核壳结构的SiO2@Ni复合微球，对纳米SiO2及SiO2@Ni复合微球的表面形貌、结构、相形态、化学组成等进行了详细表征。
　　(2)通过NaOH溶液对SiO2@Ni复合微球的SiO2核层进行溶蚀，以制备磁性Ni空心微球。探讨了NaOH溶液刻蚀时间对SiO2@Ni复合微球表面形貌、相结构和组成成分的影响。结果表明，NaOH溶液浸泡时间对SiO2@Ni复合微球表面形貌和相结构没有影响，但随着NaOH溶液浸泡时间的延长，相组成中Ni与Si元素的比值逐渐增加，表明SiO2核层被逐步溶蚀。当NaOH溶液浸泡时间达到10h时，制备得到了结构完美的Ni空心微球。
　　(3)通过催化NaBH4还原亚甲基蓝反应，对SiO2@Ni复合微球和Ni空心微球的催化活性进行了考察，研究结果表明:与纯Ni纳米粒子和Ni空心微球相比，由于SiO2@Ni复合微球具有更大的比表面积和更多的反应活性点，使得SiO2@Ni复合微球表现出更高的催化活性。此外，SiO2@Ni复合微球催化剂具有高稳定性和易循环使用性能。
　　(4)用一种简便环保的方法成功制备得到一种纳米SiO2超疏水防护剂，喷涂在基材表面，可得到接触角达到150°、滚动角小于5°的超疏水表面。而且，该防护剂在多种基材表面、对多种亲水性液体都具有优异的超疏水效果，表明该疏水剂具有良好的疏水多样性和普适性。同时，用该超疏水防护剂制备的涂层具有良好的透明性和自清洁性能，能实现油水混合物中油和水的有效分离，分离效率分别可达到97％和99％。
　　(5)通过对混凝土表面喷涂纳米SiO2超疏水防护剂进行疏水处理，得到接触角达到了151.2°、滚动角小于5°的超疏水混凝土表面。表明纳米SiO2超疏水防护剂赋予混凝土良好的防水效果。通过SEM和FT-IR分析得出，所制备的超疏水表面具有大量微米-纳米多级粗糙结构和低表面能物质存在，两者共同作用赋予了材料表面良好的超疏水性能。
　　(6)通过对混凝土试样进行吸水率、渗透深度、耐酸碱、耐有机溶剂、耐紫外和环境稳定性测试，结果显示用纳米SiO2超疏水防护剂构建的涂层在酸碱腐蚀、紫外照射、有机溶剂浸泡和室外放置的条件下，都能够保持超疏水性能，而吸水率和渗透深度相对较小。这些表明超疏水混凝土能够在多种环境中应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 纳米材料

1．1．1 纳米材料简介

1．1．2 核壳结构纳米复合材料

1．2 核壳结构纳米SiO2复合微球

1．2．2 核壳结构Ni／SiO2复合微球的研究进展

1．3 混凝土及其耐久性

1．3．1 混凝土耐久性的劣化

1．3．2 改善混凝土耐久性的措施

1．4 混凝土表面防护研究

1．4．1 混凝土表面防护涂层研究现状

1．4．2 无机／有机复合防护材料的发展

1．5 本硕士学位论文的立论依据、研究思路及特色与创新之处

1．5．1 立论依据

1．5．2 研究思路

1．5．3 创新之处

2 纳米SiO2及复合微球的制备和催化性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 纳米SiO2及复合微球制备思路

2．2．3 二氧化硅微球的合成

2．2．4 二氧化硅／镍复合微球的制备

2．2．5 镍空心微球的制备

2．2．6 微球的催化还原实验

2．2．7 微球的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 微球的表面形貌分析

2．3．2 纳米微球的相结构分析

2．3．3 NaOH浸泡时间对SiO2@Ni表面形貌的影响

2．3．4 NaOH浸泡时间对SiO2@Ni相结构的影响

2．3．5 NaOH浸泡时间对SiO2@Ni化学组成的影响

2．3．6 SiO2@Ni复合微球和Ni空心微球的催化性能

2．4 本章小结

3 超疏水防护剂的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与仪器

3．2．2 纳米SiO2超疏水防护剂的制备

3．2．3 超疏水试样的制备

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 涂层的表面润湿性、普适性和疏水多样性

3．3．2 涂层的透明性

3．3．3 涂层的自清洁性能

3．3．4 油水分离效果

3．4 本章小结

4 混凝土表面疏水化防护研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料与仪器

4．2．2 混凝土疏水试样制备工艺

4．2．3 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 混凝土表面润湿性

4．3．2 疏水混凝土的表面形貌分析

4．3．3 疏水混凝土的化学结构分析

4．3．4 疏水涂层的渗透深度

4．3．5 疏水混凝土的吸水率

4．3．6 疏水混凝土的耐酸碱性能

4．3．7 疏水混凝土的耐化学溶剂性能

4．3．8 疏水混凝土的耐紫外性能

4．3．9 疏水混凝土的耐环境稳定性

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果