屋面鋼結構管架防腐自修復材料制備及性能研究

摘要：針對傳統鋼結構防腐涂層在固化和使用過程中，因氣泡和微裂紋造成涂層防護失效的問題，提出一種自修復防護涂料的制備。試驗首先對防腐涂料配比進行優化，然后對涂料涂層的性能進行研究。試驗結果表明，當柔性分子鏈質量分數為24%，改性氧化石墨烯質量分數為1.5%時，制備的防腐涂料性能最佳。此時，涂料形狀恢復率超過99%，愈合件抗拉強度為1.92 MPa，強度和應變自修復效率分別為65.2%和82.6%，經過氯化鈉溶液浸泡3 d后附著力損失率約為25.3%，經過氯化鈉溶液浸泡10 d后，阻抗模量維持在9Ω/cm2以上，斷點頻率值約為1.0 Hz，表現出良好的耐腐蝕性能。

關鍵詞：鋼結構防腐；改性氧化石墨烯；涂層材料；防腐性能；自修復性能

中圖分類號：TQ635.2文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0119-04

Study on preparation and properties of anti-corrosion self-healing materials for roof pipe rack

ZONG Peng，FENG Xiang，HE Haohuan

（Scegc NO.9 Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Yulin 719052，Shaanxi China）

Abstract：A self repairing protective coating is proposed to address the issue of coating protection failure caused by bubbles and microcracks during the solidification and use of traditional steel structure anti-corrosion coatings.The experiment first optimizes the ratio of anti-corrosion coatings，and then studies the performance of the coating.The experimental results show that the best anti-corrosion coating performance is achieved when the mass fraction of flexible molecular chains is 24%and the mass fraction of modified graphene oxide is 1.5%.At this point，the shape recovery rate of the coating exceeds 99%，the tensile strength of the healing part is 1.92 MPa and the strength and strain self-healing efficiency are 65.2%and 82.6%，respectively.After soaking in sodium chloride solution for 3 days，the adhesion loss rate is about 25.3%.After soaking in sodium chloride solution for 10 days，the impedance modulus is maintained above 9Ω/cm2，and the fracture frequency value is about 1.0 Hz，demonstrating good corro?sion resistance performance.

Key words：steel structure anti-corrosion；modified graphene oxide；anti corrosion coating；anti corrosion perfor?mance；self-healing performance

鋼結構材料在使用的過程中，易出現腐蝕現象，影響材料的使用壽命。為解決結構材料的腐蝕問題，部分學者也進行了很多研究。如饒蓮[1]以水可分散型含羥基丙烯酸樹脂為基體，制備了一種鋼結構防腐涂料丙烯酸樹脂，并對其性能進行研究。試驗結果表明，該防腐涂料耐水時間為48 h，耐酸堿時間為24 h，耐鹽水時間為72 h，耐鹽霧時間為60 h，內部結構致密，表面平整光滑，具有優良的疏水性能，可有效用于鋼結構防腐。黃小慶[2]綜述了多種防腐涂層的制備方法和改性方法，并對其局限性進行了闡述。李通盛[3]則研究了改性后氧化石墨烯在環氧涂層中的應用，并對現階段存在的問題進行了探討與展望。孔文泉[4]研究以金屬有機框架材料為主要研究對象，對其在防腐涂層領域的應用前景和發展方向進行展望。以上學者的研究表明，在鋼結構表面構建防腐涂層是較為便捷也是較為有效的一種防腐方式。但在涂層固化過程中，易出現氣泡和微裂紋造成涂層防護失效的問題。基于此，本試驗以王慶博[5]論文為參考，制備了一種自修復防腐涂料，并對其性能進行研究。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：濃硫酸（AR，瑞承化工）；磷酸（AR，冉熙化工科技）；天然石墨（AR，東凱石墨）；高錳酸鉀（AR，浣溪沙生物科技）；稀鹽酸（AR，宏泰化工）；碳酸氫鈉（AR，海化新材料）；丙酮（AR，鑫贏舜新材料）；二甲基乙酰胺（AR，百化化工）；2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（AR，華翔科潔生物科技）；1，6-二異氰酸酯（AR，興琰新材料科技）；二氯甲烷（AR，啟辰化工）；N-甲基吡咯烷酮（AR，鑫科化工）；正庚烷（AR，金和化工）；異丙醚（AR，創世化工）；環氧樹脂（AR，久耐防腐材料）；雙氧水（AR，三恩化工）。

主要設備：DL-5C型抽濾機（偉銘機械設備）；FDG-5型凍干機（隆海機械科技）；LTD600型超聲分散機（利騰達智能裝備）；DZF型真空干燥箱（捷呈實驗儀器）；101-A型電熱鼓風干燥箱（米淇儀器設備）；RE-1002型旋轉蒸發儀（科興儀器）；FSG-Q-A型萬能試驗機（富思港工業檢測儀器）；YWX-150型鹽霧加速腐蝕實驗箱（安奈試驗設備）；PMC1000A型電化學工作站（兆輝防腐科技）。

1.2試驗方法

1.2.1改性氧化石墨烯的制備

（1）按照體積比9∶1將濃硫酸和磷酸混合，取出220 mL混合溶液放入5 g天然石墨，在冰水浴的條件下磁力攪拌，維持攪拌狀態，并少量多次加入20 g高錳酸鉀進行反應，反應時間為120 min；

（2）取出燒杯，在50℃的條件下反應1 h。自然冷卻后，加入500 mL冰水進行稀釋，緊接著加入5 mL 30%的雙氧水溶液。靜置24 h后抽濾，然后使用150 mL 1%的稀鹽酸溶液攪拌分散，完全分散后繼續進行抽濾處理；

（3）按照體積比7∶3將丙酮與水進行混合，取300 mL混合物放入步驟（2）的抽濾產物中，充分攪拌分散后，滴加質量分數為5%的碳酸氫鈉溶液將混合物pH調節至7，在超聲震蕩的條件下反應，超聲時間為4 h。超聲結束后抽濾，通過丙酮水溶液多次洗滌，抽濾，冷凍干燥，得到氧化石墨烯；

（3）對氧化石墨烯進行研磨處理，然后按照4∶1的體積比將氧化石墨烯與二甲基乙酰胺混合，在超聲波的作用下充分溶解；

（4）取200 mL氧化石墨烯溶液放入4 g 2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）和少量月桂酸二丁基錫，充分攪拌混合后通入氮氣，然后在油浴鍋的作用下100℃反應16 h；

（5）取出反應產物并多次沖洗，60℃烘干12 h，得到改性氧化石墨烯。

1.2.2柔性分子鏈的制備

（1）在100 mL三口燒瓶中依次放入5 g 2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶和47.2 g1，6-二異氰酸酯，通入氮氣后在油浴條件下恒溫攪拌；

（2）在恒壓滴液漏斗的作用下滴入適量的N-甲基吡咯烷酮，繼續保溫反應，反應溫度和時間分別為100℃和16 h。反應結束后，放入過量二氯甲烷將反應產物充分溶解；

（3）按照體積比5∶1將正庚烷和異丙醚進行混合，然后將步驟（2）的溶液緩慢滴加至正庚烷和異丙醚的混合溶液中，滴加完成后靜置12 h。通過布式漏斗抽濾后，在真空干燥箱的作用下烘干，烘干溫度和時間分別為60℃和12 h；

（4）在三口燒瓶內依次放入3 g烘干產物和100 mL二氯甲烷，磁力攪拌混合均勻，然后放入54 g聚醚按和少量二月桂酸二正丁基錫，通入氮氣后在油浴作用下攪拌回流一段時間，油浴溫度為75℃;

（5）在三口燒瓶內放入過量二氯甲烷充分溶解反應產物，抽濾后提純，得到目標聚合物。

1.2.3防腐涂層的制備

（1）將一定量改性石墨烯與二甲基乙酰胺混合，并在超聲波的作用下均勻分散，得到改性氧化石墨烯溶液；

（2）將2 g柔性分子鏈與10 g環氧樹脂混合，然后放入改性氧化石墨烯分散液，充分攪拌使其混合均勻。然后放入8 g固化劑，繼續攪拌20 min。通過真空干燥箱進行真空除泡處理，除泡時間為15 min；

（3）取部分除泡溶液在電熱干燥箱的作用下進行固化處理，固化溫度和時間分別為60℃和12 h，得到固化后樣品；

（4）同樣取部分除泡后溶液在電熱鼓風干燥箱內進行預固化，固化溫度和時間分別為60℃和2 h。將預固化的涂料均勻涂布在提前打磨的Q235鋼板上，控制涂層厚度為90μm。將涂布防腐涂層后的鋼板在電熱鼓風干燥箱的作用下烘干固化，固化溫度和時間分別為80℃和12 h。

1.3性能測試

1.3.1自修復性能

用特定工具對防腐涂層進行劃痕處理，測量劃痕寬度，然后將涂層置于30℃條件下靜置，48 h后再次測量劃痕寬度[6]。

1.3.2耐中性鹽霧腐蝕性能

參照美國材料與試驗協會（ASTM）制定的ASTM B117-19《鹽霧試驗標準》，在鹽霧表面交叉劃痕后，通過鹽霧加速腐蝕實驗箱對涂層的耐中性鹽霧腐蝕性能進行研究[7-8]。

1.3.3基礎性能

通過萬能試驗機對愈合后固化樣品的強度自修復效率和應變自修復效率進行研究[9-10]。

1.3.4電化學測試

通過電化學工作站測試涂層的防腐性能[11]。

2結果與討論

2.1柔性分子鏈用量優化

分別以涂層耐腐蝕性能和自修復性能為指標，以純環氧樹脂涂層為對照，選擇柔性分子鏈添加量分別為8%，16%、24%和30%的防腐涂層進行試驗。

2.1.1自修復性能

通過劃痕恢復情況和表征防腐涂層的自修復性能可知，純環氧樹脂涂層愈合后劃痕寬度基本不發生變化，并不表現出愈合趨勢，不具備自修復性能。而防腐涂層經過48 h，30℃愈合后，劃痕寬度明顯縮短。且隨柔性分子鏈用量的增加，涂層愈合后劃痕寬度越短。代表柔性分子鏈對涂層的劃痕修復性能有明顯的提升作用[12-13]。當柔性分子鏈用量達到24%時，劃痕愈合寬度達到最低值，繼續增加柔性分子鏈，劃痕不再繼續愈合。即此柔性分子鏈摻量條件下，已經達到了劃痕修復的最佳狀態。

2.1.2防腐性能

中性鹽霧加速腐蝕實驗結果如表1所示。

由表1可知，在前48 h，純環氧樹脂涂層開始出現腐蝕，防腐效果較差。而防腐涂層并沒有出現腐蝕產物，這就說明在鹽霧腐蝕的過程中，涂層實現了閉合和修復，有效抑制了腐蝕介質與金屬基體的接觸，進而抑制了腐蝕的發生[14-15]。而經過480 h中性鹽霧加速試驗后，所有涂層均開始出現腐蝕。且隨柔性分子鏈用量的增加，涂層的腐蝕面積表現出增加后降低的變化趨勢。當柔性分子鏈添加量為24%，涂層的腐蝕面積最小，表現出良好的耐腐蝕性能。

綜上，柔性分子鏈摻量為24%時，防腐涂層表現出良好的自修復性能和耐腐蝕性能，因此后續試驗中，選擇柔性分子鏈摻量24%繼續進行試驗。

2.2改性氧化石墨烯用量優化

以純環氧樹脂涂層為對照，選擇改性石墨烯添加量分別為0.5%，1.0%、1.5%和2.0%的防腐涂層進行試驗。

2.2.1自修復性能

改性氧化石墨烯摻量對涂層自修復性能的影響，隨改樣氧化石墨烯添加量的增加，涂層愈合后寬度表現出先增加后降低的變化趨勢。說明適宜摻量的改性氧化石墨烯對涂層愈合產生積極的效果，但過量的改樣氧化石墨烯對防腐涂層中柔性分子鏈的移動有明顯的限制作用，影響了涂層的位移，進而對涂層的閉合產生影響[16-17]。因此可以確定，在防腐涂層中，改性氧化石墨烯摻量應不超過1.5%。

2.2.2防腐性能

改性氧化石墨烯對防腐涂層防腐性能的影響如表2所示。

由表2可知，在中性鹽霧腐蝕48 h后，純環氧涂層開始出現腐蝕現象，而改性氧化石墨烯摻量為2%的防腐涂層也開始出現點蝕。這可能是因為過量改性氧化石墨烯限制了柔性分子鏈的運用，影響了防腐涂層的自修復性能，進而影響了防腐涂層的防腐性能[18-19]。而其余摻量的防腐涂層均表現出良好的防腐性能，在240 h后，才開始出現腐蝕現象，而改性氧化石墨烯摻量為1.5%的防腐涂層在480 h后才開始出現腐蝕。表明改性氧化石墨烯進一步增強了防腐涂層的防腐性能。

綜上，在后續試驗中，選擇適合的改性氧化石墨烯摻量為1.5%。

2.3防腐涂層基礎性能分析

對防腐涂層的基礎性能進行分析結果由表3可知，最佳條件下制備的防腐涂層基礎性能良好，具備良好的自修復性能和附著力，滿足實際工程需求。

2.4防腐涂層防腐性能分析

在2.1和2.2節中，通過中性鹽霧加速腐蝕試驗驗證了防腐涂層的防腐性能。在本節中，采用電化學測試進一步對最佳條件下制備的防腐涂層防腐性能進行研究可觀察到，防腐涂層經過氯化鈉溶液浸泡后10 d，阻抗下降較緩，幾乎維持在9Ω/cm2以上；且在該時刻，涂層的斷點頻率值約為1.0 Hz，表明經過氯化鈉溶液浸泡10 d后，涂層仍穩定的附著在金屬基體表面，不發生脫落，表現出優異的耐腐蝕性能[20]。

3結語

綜上，本試驗制備的防腐涂層表現出優異的綜合性能和防腐性能，可以在鋼結構管架屋面管道防腐等方面發揮重要作用，現將具體結論總結如下：

（1）柔性分子鏈對防腐涂層的自修復性能起到關鍵作用，但其摻量存在最佳閾值，過量柔性分子鏈無法使劃痕完全愈合。

（2）適量的改性氧化石墨烯對防腐涂層的防腐性能有明顯提升作用，且不影響防腐涂層的自修復性能。但過量改性氧化石墨烯會阻礙柔性分子鏈的運動，對涂層的自修復性能和防腐性能產生影響。

（3）防腐涂層基礎性能良好，滿足實際工程要求。

（4）防腐涂層經過氯化鈉溶液浸泡后10 d，阻抗模量維持在九次方，斷點頻率值約為1.0 Hz，表現出良好的耐腐蝕性能。

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（責任編輯：李睿）