石墨烯防腐涂料在水利水電工程環境中的性能研究*

李江江，汪 杰，丁立群，王慧翠

（海洋化工研究院有限公司，山東青島 266071）

我國的水利水電工程，其所處環境，一般濕度較大、降雨較多、水中含沙量大，極易引起壩體鋼結構的腐蝕。例如：三峽樞紐工程地處南溫帶和亞熱帶過渡地帶，庫區降 水比較豐富，年均降雨量在11mm左右，霧天大約為23d左右，年平均相對濕度為75.8%。

因此，水利水電工程在施工期間應使用防腐性能優異的涂料體系，以提高鋼結構的使用壽命。一般情況下，水利水電工程中的鋼結構件在檢修和維護期間無法外運，所以需要在現場進行手工除銹，即在低表面處理條件下施涂防腐涂層，這大大增加了對涂料的防腐性能要求。

本文通過模擬三峽水電站的典型氣候環境，設計干濕交替、耐水、人工氣候老化、濕熱和中性鹽霧五種試驗條件，選用石墨烯防腐涂料配套體系與常規防腐涂料配套體系進行性能試驗，研究石墨烯涂料在水利水電工程中的應用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

鼓風干燥箱：DHG-9101-2A，上海三發科學儀器有限公司；加速老化儀：QUV，美國Q-panel公司；高低溫交變濕熱試驗箱：KLTH-H157960，無錫科隆試驗設備有限公司；鹽霧箱：CC1000XP，英國ASCOTT公司；光澤度儀：4446，德國BYK公司；色差儀：SP62，美國愛色麗公司。

1.2 涂層制備工藝

選擇國內某公司的石墨烯功能性重防腐涂料配套體系和國外某公司的常規防腐涂料配套體系，以下簡稱產品A和產品B。

產品A采用石墨烯與改性樹脂相復合技術，經過特殊處理的高分子結構，全面提升了產品的各項性能指標，具有優異的耐鹽霧、耐濕熱及耐候性突出等特點，特別是在銹蝕表面和潮濕表面具有很強的防腐蝕性能。產品B采用環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+丙烯酸聚氨酯面漆的配套方式，具有良好的耐鹽霧、老化、酸堿介質等防腐性能，是目前國內橋梁、壩體等鋼結構比較通用的涂裝應用工藝。

試驗試板選用C級銹蝕板，經手工除銹達到St2級，表面狀態均為潮濕帶銹。

涂層詳細配套體系如下：

產品A：涂刷底漆一道,干膜厚度60μm；中間漆一道，干膜厚度60μm； 面漆二道，干膜厚度120μm；總厚度240～250 μm。產品B：涂刷環氧富鋅底漆一道，干膜厚度80μm ；環氧云鐵中間漆二道，干膜厚度160μm； 丙烯酸聚氨酯面漆2道，干膜厚度80μm；總厚度320～340 μm。

1.3 實驗設計

（1）干濕交替試驗：在溫度為［1］60℃環境下放置24h，然后在23℃水中放置24h為一個循環，進行42個循環，總時間2016h。

（2）耐水性［2］試驗：在23℃水中浸泡2000h。

（3）耐人工氣候老化［3］性試驗：60℃光照4h，輻照度0.71W/m2；50℃冷凝4h，為一個循環，共計2000h。

（4）耐濕熱［4］性試驗：溫 度47℃，相 對濕度96%，總時間2000h。

（5） 耐鹽霧［5］性試驗：箱體溫度35℃，收集液濃度50g/L，pH值6.5～7.2，總時間2000h。

2 結果與討論

2.1 干濕交替試驗

產品A和產品B經2016h干濕交替試驗后，試板表面狀態如圖1和圖2所示。

圖1 產品A樣板照片Fig.1 Sample photos of product A

圖2 產品B樣板照片Fig.2 Sample photos of product B

從圖1可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化、變色，有輕微失光。保護性漆膜綜合評定等級［6］0級，漆膜耐老化性能優。從圖2可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化、變色現象，有輕微失光。保護性漆膜綜合評定等級0級，漆膜耐老化性能優。

試驗表明，兩種產品均可耐23℃水環境和60℃空氣環境。整個干濕交替試驗中，涂層體系主要受水的影響，涂層體系在水環境浸泡24h的過程中，水介質對涂層體系的侵蝕滲透程度本就很小，換到60℃空氣環境中后，涂層表面的水快速蒸發，漆膜的狀態恢復。因此，產品A和產品B都具有優良的耐干濕交替性能，均適合應用于干濕交替環境的防腐。

2.2 耐水性試驗

產品A和產品B經2000h耐水試驗后，試板表面狀態如圖3和圖4所示。

圖3 產品A樣板照片Fig.3 Sample photos of product A

圖4 產品B樣板照片Fig.4 Sample photos of product B

從圖3可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化，有輕微變色和失光，24h后能恢復原狀態。保護性漆膜綜合評定等級0級，漆膜耐老化性能優。從圖4可知，試驗后漆膜無生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化，有輕微變色和失光；表面有少量氣泡，24h后能恢復原狀態。保護性漆膜綜合評定等級2級，漆膜耐老化性能中。

試驗表明，產品A中石墨烯防腐涂層體系特有的高分子結構使其具有很好的屏蔽性能，可以有效地阻止水的侵蝕和滲透。產品B的屏蔽性能較差，經過2000h的浸泡，水緩慢少量滲透到涂層體系的中間層，引起面漆起泡，同時也說明面漆和中間漆的附著性一般。產品A具有優良的耐水性能，優于產品B，適合應用于浸水環境的防腐。

2.3 耐人工氣候老化性試驗

產品A和產品B經2000h耐人工氣候老化性試驗后，試板表面狀態如圖5和圖6所示。

圖5 產品A樣板照片Fig.5 Sample photos of product A

圖6 產品B樣板照片Fig.6 Sample photos of product B

從圖5可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，有輕微粉化，有明顯失光和變色。保護性漆膜綜合評定等級2級，漆膜耐老化性能中。從圖6可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，有輕微粉化，有明顯失光和變色。保護性漆膜綜合評定等級2級，漆膜耐老化性能中。

試驗表明：兩種產品耐候性能一般。經過2000h 的UVB-313紫外燈的照射和凝露循環老化試驗，涂層表面樹脂老化分解，顏填料失去粘結力從樹脂中析出浮于涂層表面造成涂層失光、變色甚至粉化。兩種產品均不宜應用于長時間強紫外線光照環境。

2.4 耐濕熱性試驗

產品A和產品B經2000h濕熱試驗后，試板表面狀態如圖7和圖8所示。

圖7 產品A樣板照片Fig.7 Sample photos of product A

圖8 產品B樣板照片Fig.8 Sample photos of product B

從圖7可知，試驗后漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化，有輕微變色和失光。保護性漆膜綜合評定等級0級，漆膜耐老化性能優。從圖8可知，試驗后漆膜無生銹、脫落、開裂等現象，表面無粉化，有輕微變色和失光；漆膜起較多數量的氣泡，直徑大小在0.5～5 mm。保護性漆膜綜合評定等級5級，漆膜耐老化性能劣。

試驗表明：在濕熱環境中，凝露水更容易侵蝕滲透到涂層體系中，也更容易引起鼓泡，產品B出現較多氣泡，說明其涂層屏蔽性能一般。產品A中采用石墨烯與改性樹脂相復合技術，經過特殊處理的高分子結構，提高了涂層體系的屏蔽性能和防腐性能。產品A具有良好的耐濕熱性能，優于產品B，二者差異明顯。

2.5 耐鹽霧性試驗

產品A和產品B經2000h耐鹽霧性試驗后，試板表面狀態如圖9和圖10所示。

圖9 產品A樣板照片Fig.9 Sample photos of product A

圖10 產品B樣板照片Fig.10 Sample photos of product B

從圖9可知，試驗后未劃線區漆膜無起泡、生銹、脫落、開裂等現象；劃線處單向銹蝕寬度1.6mm。從圖10可知，試驗后未劃線區漆膜無生銹、脫落、開裂等現象，漆膜起較多數量的氣泡，直徑大小在0.5～5 mm；劃線處單向銹蝕寬度1.8mm。

試驗表明：兩種產品劃線處都出現銹蝕擴散現象。產品A特有的石墨烯高分子結構使其具有較好的屏蔽性能和防腐性能，可以較好地阻止腐蝕介質的擴散和金屬底材的電化學腐蝕，又因為整個涂層體系相容性好，因此劃線處銹蝕擴散較小，涂層表面沒有出現氣泡。產品B屏蔽性能和防腐性能較差，劃線處銹蝕擴散較大，涂層表面出現氣泡。產品A具有良好的耐鹽霧性能，優于產品B，二者差異明顯。

3 結語

在實驗室模擬水利水電工程實際的環境條件，分別對某國產石墨烯功能性防腐涂料

體系和某國外常規防腐涂料體系做干濕交替試驗、耐水性試驗、人工氣候老化試驗、濕熱試驗和中性鹽霧試驗，兩種配套體系均施涂在帶銹潮濕的金屬表面。試驗結果表明：石墨烯功能性防腐涂料體系在干濕交替環境、浸水環境、濕熱環境和高鹽度環境中有著優異的耐腐蝕性能，同等條件下優于常規防腐涂料體系。在強紫外線環境中，作為保護性涂層，兩種涂層體系老化性能一般，其耐老化性能有進一步提升的空間。因此，本實驗所用的某國產石墨烯功能性防腐涂層體系在帶銹潮濕界面擁有良好的防腐性能，可以替代水利水電工程中常用的常規防腐涂層體系。