輸電鐵塔塔腳防護(hù)用無溶劑環(huán)氧涂料的研制及其防腐性能研究

胡家元，李延偉，劉 栓，，陳科鋒，孫立三，戚浩金，方云輝，周開河，張 鴻

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)(2. 中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201)(3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315201)(4. 中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 前 言

輸電鐵塔的安全可靠性直接影響整個輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。近年來，由于塔腳保護(hù)帽積水和環(huán)境污染引起保護(hù)帽風(fēng)化，導(dǎo)致部分輸電鐵塔塔腳發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，特別是鐵塔主材與保護(hù)帽連接處[1, 2]。圖1為2016年發(fā)現(xiàn)的某220 kV線路鐵塔塔腳腐蝕損傷照片。該鐵塔位于近?；^(qū)，型號為220Z1，呼高35.5 m，質(zhì)量約8.5 t，材質(zhì)為鍍鋅鋼材，2001年6月建成投運(yùn)。由圖1可知，塔腳鍍鋅層已腐蝕破壞且鋼構(gòu)件已出現(xiàn)銹蝕缺口，若不采取有效的保護(hù)措施，可能造成鐵塔傾倒事故。

圖1 鐵塔塔腳銹蝕形貌：(a)保護(hù)帽覆蓋，(b)保護(hù)帽去除后Fig.1 Digital photos of corrosion morphology of transmission tower foot: (a) covered by cement cap, (b) cement cap removed

國家電網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院在實(shí)驗(yàn)室模擬塔腳腐蝕環(huán)境，探究鍍鋅層在塔腳保護(hù)帽混凝土中的耐蝕性能時發(fā)現(xiàn)[3]，由于混凝土的毛細(xì)作用，導(dǎo)致其內(nèi)部處于潤濕狀態(tài)，為塔腳腐蝕提供了條件。鐵塔安裝時，若未對塔腳和混凝土基礎(chǔ)連接部位采取防護(hù)措施，在后期服役過程中會發(fā)生塔腳局部腐蝕破壞。

中國電力科學(xué)研究院[4]對輸電鐵塔在不同腐蝕環(huán)境的防腐配套給出了具體建議：在一般大氣腐蝕環(huán)境或輕微污染區(qū)域，采用低表面處理底漆2道+丙烯酸酯面漆2道；而對于化工重污染區(qū)和海洋環(huán)境區(qū)域，采用低表面處理底漆2道+環(huán)氧云鐵中間漆1道+氟碳改性丙烯酸酯面漆2道，涂層總膜厚要達(dá)到200 μm以上。針對銹蝕后的鐵塔保護(hù)帽，目前多采用環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧煤瀝青或防銹底漆[5]進(jìn)行腐蝕防護(hù)，但由于鍍鋅層表面能低，富鋅涂料在其表面的附著力低，一般涂裝2～3年后就需要重新涂刷。而環(huán)氧煤瀝青雖附著力較好，但其綜合防腐性能低，耐水性相對較差。一般防銹底漆的VOC排放往往達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，不適合野外露天施工的環(huán)保要求。若對鍍鋅層表面進(jìn)行噴砂或者拋丸處理，增加其粗糙度，可以有效提高涂料在鍍鋅層表面的附著力，但會大大增加現(xiàn)場施工難度和施工成本。

針對以上問題，本研究制備了一種低粘度強(qiáng)滲透性的無溶劑環(huán)氧防腐涂料，只需要對鍍鋅層基體進(jìn)行簡單打磨處理，就可以進(jìn)行防腐涂裝。同時配方中添加阻隔性強(qiáng)的片狀填料、鐵銹轉(zhuǎn)化劑和活性稀釋劑，以改性胺為固化劑，可以有效提高涂層在鍍鋅層上的附著力。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 主要原材料

無溶劑環(huán)氧涂料原材料：環(huán)氧樹脂E51購自南亞環(huán)氧樹脂(昆山)有限公司；酚醛環(huán)氧樹脂購自陶氏化學(xué)公司；活性稀釋劑、分散劑、防沉劑、單寧酸、硫酸鋇、滑石粉、腰果酚改性胺類固化劑等為工業(yè)品級；助劑：BYK。

2.2 配方

輸電鐵塔塔腳防護(hù)用無溶劑環(huán)氧涂料配方見表1。制備方法如下：按表1配比在環(huán)氧樹脂中依次加入酚醛環(huán)氧、分散劑、KH560、磷酸鋅、滑石粉、單寧酸、絹云母、硫酸鋇、防沉劑等顏填料和助劑(按照先輕后重的順序)，在分散設(shè)備中攪拌均勻，然后用砂磨機(jī)研磨至細(xì)度為50 μm，過濾、包裝即得輸電鐵塔塔腳防護(hù)用低粘度無溶劑環(huán)氧涂料，涂料的粘度為1500～1600 mPa·s。圖2為制備涂料添加固化劑后在混凝土塊上涂膜后的照片。固化后的漆膜在混凝土表面光滑平整，無明顯流掛現(xiàn)象，漆膜向混凝土內(nèi)部滲透并固化，滲透深度約2～3 mm。該無溶劑涂料可對塔腳保護(hù)帽進(jìn)行有效防護(hù)，漆膜可滲透到保護(hù)帽內(nèi)部，抑制保護(hù)帽老化和風(fēng)化，延長塔腳保護(hù)帽的服役壽命。

表1 無溶劑環(huán)氧涂料配方

圖2 無溶劑涂料在混凝土塊上的成膜照片F(xiàn)ig.2 Photos of solvent-free coating coated on concrete blocks

2.3 無溶劑涂料/鍍鋅鋼電極制備

將鍍鋅鋼板加工至尺寸為1 cm×1 cm×0.3 cm(購自上海寶鋼)。取鍍鋅層面作為工作面，對立面焊接銅導(dǎo)線，其余面在PVC柱形套管中用環(huán)氧樹脂封裝，固化7 d后采用顆粒尺寸6.5 μm 的SiC砂紙打磨，蒸餾水沖洗，丙酮浸泡30 min除油，放置真空干燥箱備用。采用線狀涂布器在電極上涂裝無溶劑涂料，涂料與固化劑的質(zhì)量比為5∶1，干膜厚度為(150±4) μm。

2.4 測試手段

采用CHI660-E電化學(xué)工作站，以交流阻抗譜和動電位極化曲線研究制備的無溶劑環(huán)氧涂料在質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)3.5%的NaCl溶液中浸泡不同時間的防護(hù)性能。以無溶劑涂料/鍍鋅鋼為工作電極，帶有魯金毛細(xì)管的飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極(工作面面積為2.0 cm2)為對電極，在3.5% NaCl溶液中浸泡直至開路電位(OCP)穩(wěn)定后，在OCP下以正弦波擾動幅值20 mV、頻率范圍10-2～105Hz進(jìn)行EIS掃描。極化曲線測試的電位掃描范圍為-0.25～+0.25 V(vs.OCP)，掃描速率0.001 V/s。采用CHI660E自帶的Special analysis軟件在Tafel區(qū)擬合，解析電化學(xué)腐蝕參數(shù)。無溶劑環(huán)氧涂料在混凝土上制樣參照《色漆和清漆標(biāo)準(zhǔn)試板》(編號為GB/T 9271-2008)進(jìn)行，鹽霧實(shí)驗(yàn)依照《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》(編號為GB/T 1771-2007)進(jìn)行。鹽霧噴霧鹽水為5%的NaCl水溶液，鹽霧箱溫度為35 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 硅烷偶聯(lián)劑對漆膜性能的影響

硅烷偶聯(lián)劑是分子鏈中同時含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的有機(jī)硅化合物，其經(jīng)典產(chǎn)物可用通式Y(jié)SiX3表示，Y為非水解基團(tuán)，X為水解基團(tuán)。硅烷偶聯(lián)劑可在無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的界面之間架起“分子橋”，將兩種性質(zhì)懸殊的材料連接在一起提高復(fù)合材料的性能和粘接強(qiáng)度[6, 7]。本研究中采用的硅烷偶聯(lián)劑為環(huán)氧基官能團(tuán)硅烷KH560，化學(xué)名稱為γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。表2是涂料配方中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)KH560后的漆膜性能參數(shù)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的KH560后，漆膜的附著力從5.6提高到8.9 MPa，漆膜抗沖擊也從2級提高到1級。這是因?yàn)镵H560中含有甲氧基硅烷，在成膜過程中甲氧基硅烷水解為SiOH，SiOH與基材表面的羥基(—OH)形成氫鍵，并伴隨脫水反應(yīng)而與基材形成共價鍵；同時KH560中的環(huán)氧基團(tuán)可與固化劑交聯(lián)反應(yīng)，提高有機(jī)涂層中無機(jī)填料的分散性和黏合性。綜合成本因素，建議硅烷偶聯(lián)劑的添加量在1%～2%。KH560的沸點(diǎn)為290 ℃，導(dǎo)致漆膜的表干和實(shí)干時間延長，冬天施工時，建議添加量降低。

表2 硅烷偶聯(lián)劑KH560對漆膜物理性能的影響

3.2 EIS曲線評價涂層的防腐性能

涂層的耐滲水性是評價有機(jī)涂層防護(hù)性能的一個重要指標(biāo)，在全浸實(shí)驗(yàn)中由于水分子的滲入，有機(jī)涂層的電阻和電容變化顯著[8, 9]。為了探究輸電鐵塔塔腳防護(hù)用無溶劑環(huán)氧涂料的防腐性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行涂層/鍍鋅鋼體系在3.5% NaCl溶液浸泡實(shí)驗(yàn)。以鍍鋅鋼為基底，涂覆所制無溶劑涂料，室溫固化7 d后進(jìn)行電化學(xué)測試，控制干膜厚度為(150±4) μm。圖3是所制涂層/鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間的交流阻抗譜圖，在浸泡35 d內(nèi)，涂層/鍍鋅鋼體系在10-2～105Hz頻率只出現(xiàn)1個容抗弧，對應(yīng)于涂層電容和涂層電阻，說明所制無溶劑涂層擁有良好的物理阻隔性能，可以有效抑制水分子在涂層中的滲透[10]。涂層/鍍鋅鋼體系在3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后，水分子沒有滲透到達(dá)鍍鋅鋼基底。采用等效電路Rs(QcRc)對不同浸泡時間的交流阻抗譜進(jìn)行擬合。在等效電路中，Rs為溶液電阻，Qc代表涂層電容，Rc為涂層電阻[11, 12]，發(fā)現(xiàn)涂層/鍍鋅鋼體系的涂層電阻從浸泡初期的1.89×1010Ω·cm下降到浸泡35 d后的8.96×109Ω·cm，說明所制無溶劑涂層電阻逐漸降低，耐蝕性能有所下降。從交流阻抗譜圖可以看出，所制無溶劑涂料可以抑制腐蝕介質(zhì)與鍍鋅層接觸，對輸電鐵塔塔腳進(jìn)行有效保護(hù)。

圖3 涂層/鍍鋅鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中浸泡不同時間的交流阻抗譜Fig.3 EIS curves of coating/galvanized steel immersed in 3.5% NaCl solution after different immersion times

3.3 動電位極化曲線評價涂層的防腐性能

為了對比制備涂料對鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液的防護(hù)效果，分別測試鍍鋅鋼(鍍鋅鋼已在空氣中放置2年，表面鍍鋅層被空氣氧化)和涂層/鍍鋅鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡35 d后的動電位極化曲線，見圖4。由圖4可知，涂層/鍍鋅鋼體系的自腐蝕電位正移，說明鍍鋅鋼腐蝕傾向小；與純鍍鋅鋼電極相比，涂覆涂層后鍍鋅鋼的陽極極化曲線斜率從168.2增大到254.3 mV/dec，陰極極

圖4 鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中浸泡35 d后的極化曲線Fig.4 Polarization curves of galvanized steel and coating/galvanized steel system immersed in 3.5% NaCl solution after 35 d

化曲線斜率絕對值從136.4增大到252.7 mV/dec，說明無溶劑涂料能同時抑制鍍鋅層陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)[13, 14]。在Tafel區(qū)進(jìn)行擬合，得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)見表3。鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后的自腐蝕電流密度分別為74.4和0.213 μA/cm2，說明無溶劑涂料將鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率降低了約350倍，所制無溶劑涂料可以有效抑制鍍鋅鋼的腐蝕，與EIS結(jié)果一致。

表3 鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后的電化學(xué)腐蝕參數(shù)

3.4 鹽霧實(shí)驗(yàn)

鹽霧實(shí)驗(yàn)噴霧鹽水為5%的NaCl水溶液，鹽霧箱的溫度為35 ℃。參照《色漆和清漆標(biāo)準(zhǔn)試板》(編號為GB/T 9271-2008)進(jìn)行涂層制樣，采用刷涂方式對長方體混凝土塊進(jìn)行涂裝，干膜厚度為(300±20) μm，圖5是無溶劑涂層/混凝土體系在鹽霧試驗(yàn)箱中試驗(yàn)2000 h的鹽霧照片，涂層完整，沒有起泡或剝落現(xiàn)象。試樣表面擦拭后進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，涂層與基材的附著力為7.0 MPa，說明制備無溶劑涂層體系與混凝土之間具有良好的濕附著力。

圖5 涂層/混凝土體系鹽霧2000 h的照片，涂層厚度為300 μmFig.5 Digital photo of the solvent-free coating/concrete system in salt spray chamber for 2000 h, coating thickness was 300 μm

4 結(jié) 論

(1) 制備了一種滲透性良好的輸電鐵塔塔腳防護(hù)用無溶劑環(huán)氧防腐涂料，該涂料具有粘度低、流平性好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的KH560，可以明顯提高漆膜的附著力和柔韌性。

(2)無溶劑涂層對鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中具有良好的防護(hù)性能，隨著浸泡時間延長，涂層電阻逐漸減小。

(3)無溶劑涂層/混凝土體系具有良好的耐鹽霧性能，鹽霧2000 h后，涂層仍具有良好濕附著力。