[发明专利]一种石材保护膜纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域  

本发明涉及一种纳米材料，尤其涉及一种石材保护膜材料及其制备方法。

背景技术  

我国拥有大量珍贵的石质文物资源, 例如, 历代的石窟、石刻、石碑、石佛等, 它们大都暴露在自然界中, 已发生严重风化, 尤其是近现代工业化发展所造成的环境污染更加速了这些珍贵的石质文物的风化腐蚀, 因此, 积极采取防护措施是当前文物保护工作中一项迫在眉睫的任务。

石质文物保护最常用的方法是在石质文物表面采用各种保护材料进行处理来防止风化腐蚀。这些保护材料可以起到以下作用：加固、防水、防酸、防污、防微生物、防风化和防溶蚀等，从而降低石质文物的老化进程。按保护材料的主要成分可分为无机和有机两大类。

无机类石质文物保护材料石灰水、氢氧化钡和碱性硅酸盐等。大多数无机保护剂是利用溶液中的盐份在石材的孔隙中凝结或与石材发生化学反应，填塞石材微孔隙以产生阻挡层或替代层。无机保护剂的优点是耐候性好，能填塞石材微孔隙以产生阻挡层或替代层，其缺点是难以渗入石材内部，容易产生可溶性盐而形成结晶破坏，且脆性大，粘接力差。许多实例表明，由于可溶性盐形成的结晶膨胀，无机保护剂的使用反而加剧了石材的风化进程。

有机类石质文物保护材料主要有环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、有机氟类材料等。这类材料具有耐水、耐腐蚀、耐冲击、加工性能优良等优点。有机类保护膜材料用于石质文物的表面防护已有四十多年的历史，但是保护效果仍不尽人意。主要存在如下的问题：（1）有机高分子防护材料在户外的实际有效寿命一般仅几年，最多二、三十年，而人们期望的石质文物的寿命要长得多。失效后的高分子材料会给文物本身以及后续的防护造成不同程度的影响，例如泛黄、产生斑块、堵塞微孔以及粉化等；（2）石材本身亲水性与有机防护膜憎水性的矛盾，表层的憎水性防护膜会使石头的内外层产生显著的湿度梯度，随着环境温度和湿度的变化，干湿交界处会因明显的膨胀应力差而造成破坏；（3）石材是微孔渗水材料，可溶性盐会在石材内部和表面扩散，当防护膜不透水汽时，盐溶液有顶破保护层的趋势，当防护膜可透水汽时，可溶性盐会在水挥发处结晶，结晶压力不仅进一步顶破保护层，甚至可以胀破石材的微孔，使石材表层剥落。

纳米材料是一种新型材料，它具有如下特殊的优势（1）超双亲界面性: 即同时具有疏水和疏油性，将降低水、油等污物对文物的侵蚀，大大减少酸雨、酸雾和有机物对露天石质文物的侵蚀；（2）耐紫外线和抗老化性。由于用于石质材料的特殊性，目前对于纳米材料在石材保护领域的应用鲜有报道，而研究出综合性能优异的石材纳米涂层有待进一步开发。

EISA（溶剂挥发诱导自组装法）方法是利用表面活性剂模板法来合成和制备具有结构有序材料的一种新方法。其基本流程为：首先, 制备含有无机前驱体、表面活性剂、有机单体及有机溶剂等组分的酸性水溶胶组装液, 然后利用浸涂、旋涂、喷涂或浇铸等方法使该组装液在某种基材(如硅片)表面自组装成膜。由于溶剂的不断挥发, 诱导表面活性剂胶束带动相应的无机、有机分子进行自组装, 形成具有一定形状、周期性排列的介晶相, 从而使无机有机组分在很短时间内组装成长程有序的规整序列结构。用EISA方法合成介孔材料具有以下4个显著的优点:（1）材料的结构可事先设计;（2）反应条件温和, 过程有较好的可控性;（3）模板易于构筑且结构具有多样性;（4）可合成具有特异性能(如光学透明、优异的力学、电学等性能和较大的比表面积以及环境相应性等特性)的薄膜材料。但采用该方法制备薄膜材料的难点在于无机前驱体、表面活性剂、有机单体及有机溶剂等组分选择配合等，目前采用自组装法（EISA）制备石材保护用纳米膜材料并未见成功的实例报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能优异的石材保护膜纳米材料。

本发明的另一目的在于提供上述石材保护膜纳米材料的制备方法。 

本发明的目的是通过如下技术措施实现的：

一种石材保护膜纳米材料，其特征在于：它是采用硅溶胶作为基体，30～300 nm的单分散SiO₂胶体球和聚二甲基硅氧烷-聚氧乙烯（PDMS-PEO）两嵌段共聚物作为改性剂，加入溶剂中，采用溶剂挥发诱导自组装法（EISA）制得的；所述石材保护膜纳米材料的孔径为2.0～5.5nm。

发明人在长期研发过程中发现，采用EISA法制备石材保护膜纳米材料时，各反应物料的选择与配合很有讲究，若不恰当，制得的纳米材料用于石材保护易出现防水性能及重涂性能不理想、寿命短等问题。