陳 樹(shù) 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(guó)腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)的腐蝕總成本約占當(dāng)年GDP的3.34%，總額超過(guò)21000億元人民幣，相當(dāng)于每個(gè)中國(guó)人當(dāng)年承擔(dān)1555元的腐蝕成本。目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路線上，鋼橋梁的長(zhǎng)度占橋梁總長(zhǎng)的11.2%。由于鐵路鋼橋梁的鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(shí)還兼具高導(dǎo)電、高強(qiáng)度等性能。將石墨烯材料與傳統(tǒng)防腐涂料結(jié)合起來(lái)，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(shì)，是傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級(jí)替代品種；同時(shí)，添加石墨烯而增加的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其帶來(lái)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(jí)替代品種。

二、石墨烯防腐機(jī)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(shí)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(duì)水的浸潤(rùn)性差，當(dāng)涂料中加入石墨烯后，石墨烯的疏水性會(huì)阻止水分子通過(guò)涂層接觸金屬基體，從而降低腐蝕，此外通過(guò)石墨烯的導(dǎo)電性能迅速將陽(yáng)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(jí)，廣東鴻納(東莞)新材料有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂，工業(yè)級(jí)，藍(lán)星新材料無(wú)錫樹(shù)脂廠；692環(huán)氧樹(shù)脂活性稀釋劑，工業(yè)級(jí)，江陰萬(wàn)千化學(xué)品有限公司；三聚磷酸鋁，工業(yè)級(jí)，廣西化工研究院；氣相二氧化硅，工業(yè)級(jí)，山東省壽光市昌泰微納化工廠；消泡劑，工業(yè)級(jí)，煙臺(tái)恒鑫化工科技有限公司；分散劑，工業(yè)級(jí)，天津赫普菲樂(lè)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(jí)，藍(lán)星星火化工廠。

(二)配方設(shè)計(jì)

(1)漿體配方設(shè)計(jì)(w/w %)

環(huán)氧樹(shù)脂

50-60%

聚醚胺

6-15%

環(huán)氧樹(shù)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(jì)(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(shù)脂為成膜材料在3000r/min的高速攪拌機(jī)條件下，將環(huán)氧樹(shù)脂活性稀釋劑加入環(huán)氧樹(shù)脂中充分?jǐn)嚢瑁偬砑犹盍先哿姿徜X、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(cè)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(chǎng)涂刷試驗(yàn)，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(shí)用抹布將橋梁鋼結(jié)構(gòu)部分擦拭干凈，隨即對(duì)鋼梁橋進(jìn)行涂刷，兩小時(shí)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(guò)19個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一施工過(guò)程只需稍作除銹，涂裝材料的表面處理達(dá)到Sa2.5級(jí)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(shí)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(yǔ)

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