石墨烯防腐涂層研發(fā)及在鐵路鋼梁橋上的應(yīng)用

陳 樹 涂建萍

(1.江西省科學(xué)院能源研究所，江西 南昌 330096；2.南昌大學(xué)附屬中學(xué)，江西 南昌 330047)

一、引言

據(jù)由侯保榮院士擔(dān)任首席科學(xué)家的“我國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目統(tǒng)計，2014年我國的腐蝕總成本約占當(dāng)年GDP的3.34%，總額超過21000億元人民幣，相當(dāng)于每個中國人當(dāng)年承擔(dān)1555元的腐蝕成本。目前我國運營鐵路線上，鋼橋梁的長度占橋梁總長的11.2%。由于鐵路鋼橋梁的鋼結(jié)構(gòu)長期暴露在室外，受到紫外線輻射、大氣、雨水及列出地漏污水、化工原料等有害物質(zhì)的不斷侵蝕，其涂裝表面極易劣化，致使鋼梁桿件發(fā)生不同程度的腐蝕，削弱承載截面，嚴(yán)重影響鋼橋梁的使用壽命。石墨烯作為新興的納米材料，具有良好的阻隔性能和屏蔽性能，同時還兼具高導(dǎo)電、高強度等性能。將石墨烯材料與傳統(tǒng)防腐涂料結(jié)合起來，石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好，涂層厚度低，附著力高，漆膜重量輕，耐鹽霧性能極佳等優(yōu)勢，是傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級替代品種；同時，添加石墨烯而增加的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其帶來的防腐收益，因此石墨烯防腐涂料有望成為傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級替代品種。

二、石墨烯防腐機理

石墨烯的小尺寸效應(yīng)、二維片層結(jié)構(gòu)、疏水性和導(dǎo)電性，使其可作為添加劑用于防腐涂料中提高涂料防腐性能。小尺寸的石墨烯可以填充到涂料的孔洞中，同時石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)在涂料中層層疊加，形成致密的物理隔絕層，而石墨烯的表面效應(yīng)使其對水的浸潤性差，當(dāng)涂料中加入石墨烯后，石墨烯的疏水性會阻止水分子通過涂層接觸金屬基體，從而降低腐蝕，此外通過石墨烯的導(dǎo)電性能迅速將陽極反應(yīng)中Fe失去的電子傳遞到涂層表面，從而防止Fe3+沉淀，減緩電化學(xué)腐蝕速率。

三、研制內(nèi)容

(一)主要原材料

石墨烯，工業(yè)級，廣東鴻納(東莞)新材料有限公司；環(huán)氧樹脂，工業(yè)級，藍(lán)星新材料無錫樹脂廠；692環(huán)氧樹脂活性稀釋劑，工業(yè)級，江陰萬千化學(xué)品有限公司；三聚磷酸鋁，工業(yè)級，廣西化工研究院；氣相二氧化硅，工業(yè)級，山東省壽光市昌泰微納化工廠；消泡劑，工業(yè)級，煙臺恒鑫化工科技有限公司；分散劑，工業(yè)級，天津赫普菲樂新材料有限公司；r-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，工業(yè)級，藍(lán)星星火化工廠。

(二)配方設(shè)計

(1)漿體配方設(shè)計(w/w %)

環(huán)氧樹脂

50-60%

聚醚胺

6-15%

環(huán)氧樹脂活性稀釋劑

1-6%

三聚磷酸鋁

8-15%

氣相二氧化硅

5-10%

消泡劑

1-6%

分散劑

1-6%

r-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷

8-15%

(2)低表面漆配方設(shè)計(w/w %)

漿體

45-55%

云母粉

6-12%

氧化鋅

9-15%

磷酸鋅

6-12%

硫酸鋇

6-12%

鐵灰

1-5%

稀釋劑

5-10%

(3)固化劑(w/w %)

650：T31：593=190：220：110

(三)制作工藝

(1)漿體制作：以環(huán)氧樹脂為成膜材料在3000r/min的高速攪拌機條件下，將環(huán)氧樹脂活性稀釋劑加入環(huán)氧樹脂中充分?jǐn)嚢?，再添加填料三聚磷酸鋁、氣相二氧化硅、r-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，最后再加入適量分散劑、消泡劑，均勻攪拌30min以上即可，備用。

(2)防銹漆制作：將氧化鋅、磷酸鋅、云母粉、鈦白粉、鐵灰混合均勻加入漿料中，再加入1，4-丁二醇二縮水甘油醚，在3000r/min轉(zhuǎn)速下高速攪拌30min以上，得到低表面防銹漆A組分。聚醚胺(D230、D2000)、低分子聚酰胺650、脂肪族改性的胺類固化劑T31，在2000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15min以上，攪拌均勻，即得防銹漆固化劑B組分。

(四)性能指標(biāo)測試

表1 性能指標(biāo)

四，鐵路鋼梁橋應(yīng)用

2018年3月21日在南昌鐵路局青云譜車站“京九下行K1451+248處”，選擇鐵路涵洞橋的兩邊防護(hù)欄上進(jìn)行現(xiàn)場涂刷試驗，15分鐘內(nèi)將石墨烯基防銹涂層A組分與B組分按4：1的重量比混合均勻，同時用抹布將橋梁鋼結(jié)構(gòu)部分擦拭干凈，隨即對鋼梁橋進(jìn)行涂刷，兩小時后，用手指輕摸角鐵及圓鋼表面，已經(jīng)表干，未出現(xiàn)剝離、不粘合現(xiàn)象。經(jīng)過19個月的現(xiàn)場認(rèn)定，南昌鐵路局南昌工務(wù)段判定本品質(zhì)量比第六套鋼橋體系涂層體系《TB/T1527-2011》更好，有以下幾點優(yōu)勢：第一施工過程只需稍作除銹，涂裝材料的表面處理達(dá)到Sa2.5級即可；第二直接用本品代替“底漆+中間漆”，這樣大大縮短了施工時間；第三取消中間漆的涂裝施工，節(jié)省了大量人力，降低了成本，本品質(zhì)量比第六套鋼橋體系涂層體系《TB/T1527-2011》更好。

五、結(jié)束語

石墨烯基防銹涂層在鐵路鋼梁橋上廣泛應(yīng)用，不僅是對環(huán)境友好的鮮明證明，同時也為國家節(jié)約了大量的物力財力，可謂一舉多得。