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水利水电工程环境中石墨烯防腐涂料的性能研究

2022-02-28 72 上传者：管理员

摘要：我国的水利水电工程多数位于高湿多雨的气候环境中，钢结构长时间暴露在高湿多雨的环境中容易发生腐蚀。施涂防腐蚀涂料一直是水利水电工程防止钢结构腐蚀的主要措施。该研究选用石墨烯防腐涂料配套体系与常规防腐涂料配套体系，结合三峡水电站的气候环境条件，在干湿交替、浸水、大气暴晒、潮湿和高盐度五个环境下对两种涂料配套体系进行性能对比。研究结果显示，石墨烯防腐涂层的性能整体优于常用的普通防腐涂层，可以满足水利水电工程中新造或者修补钢结构时防腐的要求。

关键词：
大气暴晒
干湿交替
浸水
潮湿环境
石墨烯
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我国的水利水电工程，其所处环境，一般湿度较大、降雨较多、水中含沙量大，极易引起坝体钢结构的腐蚀。例如：三峡枢纽工程地处南温带和亚热带过渡地带，库区降水比较丰富，年均降雨量在11mm左右，雾天大约为23d左右，年平均相对湿度为75.8%。

因此，水利水电工程在施工期间应使用防腐性能优异的涂料体系，以提高钢结构的使用寿命。一般情况下，水利水电工程中的钢结构件在检修和维护期间无法外运，所以需要在现场进行手工除锈，即在低表面处理条件下施涂防腐涂层，这大大增加了对涂料的防腐性能要求。

本文通过模拟三峡水电站的典型气候环境，设计干湿交替、耐水、人工气候老化、湿热和中性盐雾五种试验条件，选用石墨烯防腐涂料配套体系与常规防腐涂料配套体系进行性能试验，研究石墨烯涂料在水利水电工程中的应用前景。

1、实验部分

1.1 实验仪器

鼓风干燥箱：DHG-9101-2A，上海三发科学仪器有限公司；加速老化仪：QUV，美国Q-panel公司；高低温交变湿热试验箱：KLTH-H157960，无锡科隆试验设备有限公司；盐雾箱：CC1000XP，英国ASCOTT公司；光泽度仪：4446，德国BYK公司；色差仪：SP62，美国爱色丽公司。

1.2 涂层制备工艺

选择国内某公司的石墨烯功能性重防腐涂料配套体系和国外某公司的常规防腐涂料配套体系，以下简称产品A和产品B。

产品A采用石墨烯与改性树脂相复合技术，经过特殊处理的高分子结构，全面提升了产品的各项性能指标，具有优异的耐盐雾、耐湿热及耐候性突出等特点，特别是在锈蚀表面和潮湿表面具有很强的防腐蚀性能。产品B采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆的配套方式，具有良好的耐盐雾、老化、酸碱介质等防腐性能，是目前国内桥梁、坝体等钢结构比较通用的涂装应用工艺。

试验试板选用C级锈蚀板，经手工除锈达到St2级，表面状态均为潮湿带锈。

涂层详细配套体系如下：

产品A：涂刷底漆一道,干膜厚度60μm；中间漆一道，干膜厚度60μm；面漆二道，干膜厚度120μm；总厚度240～250μm。产品B：涂刷环氧富锌底漆一道，干膜厚度80μm；环氧云铁中间漆二道，干膜厚度160μm；丙烯酸聚氨酯面漆2道，干膜厚度80μm；总厚度320～340μm。

1.3 实验设计

(1）干湿交替试验：在温度为[1]60℃环境下放置24h，然后在23℃水中放置24h为一个循环，进行42个循环，总时间2016h。

(2）耐水性[2]试验：在23℃水中浸泡2000h。

(3）耐人工气候老化[3]性试验：60℃光照4h，辐照度0.71W/m2;50℃冷凝4h，为一个循环，共计2000h。

(4）耐湿热[4]性试验：温度47℃，相对湿度96%，总时间2000h。

(5）耐盐雾[5]性试验：箱体温度35℃，收集液浓度50g/L,pH值6.5～7.2，总时间2000h。

2、结果与讨论

2.1 干湿交替试验

产品A和产品B经2016h干湿交替试验后，试板表面状态如图1和图2所示。

从图1可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化、变色，有轻微失光。保护性漆膜综合评定等级[6]0级，漆膜耐老化性能优。从图2可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化、变色现象，有轻微失光。保护性漆膜综合评定等级0级，漆膜耐老化性能优。

试验表明，两种产品均可耐23℃水环境和60℃空气环境。整个干湿交替试验中，涂层体系主要受水的影响，涂层体系在水环境浸泡24h的过程中，水介质对涂层体系的侵蚀渗透程度本就很小，换到60℃空气环境中后，涂层表面的水快速蒸发，漆膜的状态恢复。因此，产品A和产品B都具有优良的耐干湿交替性能，均适合应用于干湿交替环境的防腐。

2.2 耐水性试验

产品A和产品B经2000h耐水试验后，试板表面状态如图3和图4所示。

从图3可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化，有轻微变色和失光，24h后能恢复原状态。保护性漆膜综合评定等级0级，漆膜耐老化性能优。从图4可知，试验后漆膜无生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化，有轻微变色和失光；表面有少量气泡，24h后能恢复原状态。保护性漆膜综合评定等级2级，漆膜耐老化性能中。

试验表明，产品A中石墨烯防腐涂层体系特有的高分子结构使其具有很好的屏蔽性能，可以有效地阻止水的侵蚀和渗透。产品B的屏蔽性能较差，经过2000h的浸泡，水缓慢少量渗透到涂层体系的中间层，引起面漆起泡，同时也说明面漆和中间漆的附着性一般。产品A具有优良的耐水性能，优于产品B，适合应用于浸水环境的防腐。

2.3 耐人工气候老化性试验

产品A和产品B经2000h耐人工气候老化性试验后，试板表面状态如图5和图6所示。

从图5可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，有轻微粉化，有明显失光和变色。保护性漆膜综合评定等级2级，漆膜耐老化性能中。从图6可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，有轻微粉化，有明显失光和变色。保护性漆膜综合评定等级2级，漆膜耐老化性能中。

试验表明：两种产品耐候性能一般。经过2000h的UVB-313紫外灯的照射和凝露循环老化试验，涂层表面树脂老化分解，颜填料失去粘结力从树脂中析出浮于涂层表面造成涂层失光、变色甚至粉化。两种产品均不宜应用于长时间强紫外线光照环境。

2.4 耐湿热性试验

产品A和产品B经2000h湿热试验后，试板表面状态如图7和图8所示。

从图7可知，试验后漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化，有轻微变色和失光。保护性漆膜综合评定等级0级，漆膜耐老化性能优。从图8可知，试验后漆膜无生锈、脱落、开裂等现象，表面无粉化，有轻微变色和失光；漆膜起较多数量的气泡，直径大小在0.5～5mm。保护性漆膜综合评定等级5级，漆膜耐老化性能劣。

试验表明：在湿热环境中，凝露水更容易侵蚀渗透到涂层体系中，也更容易引起鼓泡，产品B出现较多气泡，说明其涂层屏蔽性能一般。产品A中采用石墨烯与改性树脂相复合技术，经过特殊处理的高分子结构，提高了涂层体系的屏蔽性能和防腐性能。产品A具有良好的耐湿热性能，优于产品B，二者差异明显。

2.5 耐盐雾性试验

产品A和产品B经2000h耐盐雾性试验后，试板表面状态如图9和图10所示。

从图9可知，试验后未划线区漆膜无起泡、生锈、脱落、开裂等现象；划线处单向锈蚀宽度1.6mm。从图10可知，试验后未划线区漆膜无生锈、脱落、开裂等现象，漆膜起较多数量的气泡，直径大小在0.5～5mm；划线处单向锈蚀宽度1.8mm。

试验表明：两种产品划线处都出现锈蚀扩散现象。产品A特有的石墨烯高分子结构使其具有较好的屏蔽性能和防腐性能，可以较好地阻止腐蚀介质的扩散和金属底材的电化学腐蚀，又因为整个涂层体系相容性好，因此划线处锈蚀扩散较小，涂层表面没有出现气泡。产品B屏蔽性能和防腐性能较差，划线处锈蚀扩散较大，涂层表面出现气泡。产品A具有良好的耐盐雾性能，优于产品B，二者差异明显。

3、结语

在实验室模拟水利水电工程实际的环境条件，分别对某国产石墨烯功能性防腐涂料

体系和某国外常规防腐涂料体系做干湿交替试验、耐水性试验、人工气候老化试验、湿热试验和中性盐雾试验，两种配套体系均施涂在带锈潮湿的金属表面。试验结果表明：石墨烯功能性防腐涂料体系在干湿交替环境、浸水环境、湿热环境和高盐度环境中有着优异的耐腐蚀性能，同等条件下优于常规防腐涂料体系。在强紫外线环境中，作为保护性涂层，两种涂层体系老化性能一般，其耐老化性能有进一步提升的空间。因此，本实验所用的某国产石墨烯功能性防腐涂层体系在带锈潮湿界面拥有良好的防腐性能，可以替代水利水电工程中常用的常规防腐涂层体系。

参考文献:

[1]全国涂料和颜料标准化技术委员会.色漆和清漆耐热性的测定:GB/T1735-2009[S].北京:中国标准出版社,2009

[2]全国涂料和颜料标准化技术委员会.漆膜耐水性测定法:GB/T1733-1993[S].北京:中国标准出版社,1993.

[3]全国电工电子产品环境条件与环境实验标准化技术委员会.机械工业产品用塑料､涂料､橡胶材料人工气候老化试验方法荧光紫外灯:GB/T14522-2008[S]北京:中国标准出版社,2008

[4]全国涂料和颜料标准化技术委员会.漆膜耐湿热测定法:GB/T1740-2007[S].北京:中国标准出版社,2008.

[5]全国涂料和颜料标准化技术委员会.色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定:GB/T1771-2007[S].北京:中国标准出版社,2008.

[6]全国涂料和颜料标准化技术委员会.色漆和清漆涂层老化的评级方法:GB/T1766-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

文章来源：李江江,汪杰,丁立群,王慧翠.石墨烯防腐涂料在水利水电工程环境中的性能研究[J].合成材料老化与应用,2022,51(01):13-15.