蘇京明，李貴勛，牛金亮，劉東，鄭軍

（1.新疆華電和田水電有限責(zé)任公司，新疆 和田 848000；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

在高泥沙含量的河流上，水力機(jī)械及水工建筑物承受著含沙水流的磨蝕，遭受到了不同程度的破壞，每年需要投入相當(dāng)?shù)娜肆臀锪?duì)其進(jìn)行維修和防護(hù)，個(gè)別破壞嚴(yán)重的地方，可能對(duì)電站、大壩安全運(yùn)行造成威脅[1]。聚氨酯（PU）作為一種高分子材料，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐水性等優(yōu)點(diǎn)，并且其分子結(jié)構(gòu)可調(diào)控，在生活、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2]。鑒于其良好耐磨性，尤其抗空蝕性，聚氨酯被逐漸用于水力機(jī)械磨蝕防護(hù)，對(duì)其耐磨蝕性能研究也越來(lái)越多。結(jié)合目前研究及應(yīng)用效果，在某些惡劣情況下聚氨酯不能滿足使用要求，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改性[3-5]。本文通過(guò)添加不同用量的石墨烯改性聚氨酯，研究不同配方聚氨酯材料力學(xué)性能，并將石墨烯改性聚氨酯材料在水庫(kù)排沙洞工作閘門面板進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的防護(hù)效果。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試樣制備

將改性石墨烯與聚氨酯預(yù)聚體通過(guò)高速攪拌進(jìn)行混合，加熱后與擴(kuò)鏈劑混合，攪拌均勻，將混合液澆注至預(yù)熱好的模具；然后在120℃下固化2 h、90℃下固化6 h，裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣，做相關(guān)性能測(cè)試。

100份聚氨酯中分別加入0.01份、0.03份、0.05份、0.10份改性石墨烯，分別命名為PU0.01、PU0.03、PU0.05、PU0.10，具體配方如表1所示。

表1 石墨烯改性聚氨酯復(fù)合材料配比

2.2 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試：按照GB/T 528-2009測(cè)試，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM2203型，深圳三思縱橫）測(cè)試，拉伸速度500 mm/min。

撕裂強(qiáng)度測(cè)試：試樣裁成直角型，按照GB/T 529-2008測(cè)試，試驗(yàn)速度為500 mm/min。

耐沖磨性能測(cè)試：采用新型抗沖耐磨試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。以不同粒徑的石英砂為磨料，沖磨角度30°，沖磨時(shí)間5 min，試件表面砂速約26 m/s。

斷面形態(tài)觀察：試樣經(jīng)過(guò)撕裂強(qiáng)度測(cè)試后，取其斷裂面較為平整部分，表面噴金處理后利用掃描電子顯微鏡（FEI Quanta FEG 250，美國(guó)）觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 石墨烯用量對(duì)聚氨酯力學(xué)性能的影響

表2 聚氨酯/石墨烯復(fù)合材料力學(xué)性能

從表2中可以看出，隨著改性石墨烯用量的增加，聚氨酯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度等參數(shù)有所變化。隨著改性石墨烯用量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增加，當(dāng)加入改性石墨烯0.03份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大，由聚氨酯的34.5 MPa增加到42.1 MPa，增幅達(dá)到22.0 %，此時(shí)復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度也達(dá)到最大，分別達(dá)到620 %、15.9 kN/m。繼續(xù)增加改性石墨烯用量，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降。復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度隨改性石墨烯用量變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。

3.2 石墨烯用量對(duì)聚氨酯耐沖磨性能的影響

經(jīng)耐沖磨試驗(yàn)后，聚氨酯及石墨烯改性聚氨酯復(fù)合材料質(zhì)量損失率如表3所示。可以看出，聚氨酯材料經(jīng)過(guò)沖磨試驗(yàn)后，損失質(zhì)量1.24 g，當(dāng)加入0.03份改性石墨烯后，質(zhì)量損失量為0.78 g，質(zhì)量損失率最小。從測(cè)試的磨蝕深度可以看出，在改性石墨烯用量為0.03份時(shí)，磨蝕深度為0.10 mm，在5個(gè)試樣中磨蝕深度最小。綜合來(lái)說(shuō)，當(dāng)加入改性石墨烯0.03份時(shí)，聚氨酯/石墨烯復(fù)合材料的耐沖磨性能最優(yōu)。

表3 聚氨酯/石墨烯復(fù)合材料耐沖磨性能

3.3 聚氨酯復(fù)合材料斷面形貌分析

PU、PU0.03、PU0.10三種材料經(jīng)撕裂強(qiáng)度測(cè)試后，利用SEM來(lái)觀察石墨烯在試樣斷面的分散情況。如圖2所示，PU斷面非常規(guī)整，存在許多不規(guī)則的條紋，研究人員普遍認(rèn)為該條紋是PU材料的硬段結(jié)晶區(qū)。從圖b中，可以看出改性石墨烯的用量為0.03份時(shí)，石墨烯片層均勻地分散在聚氨酯基體中，石墨烯與聚氨酯界面模糊，相容性較好。從圖c中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯的用量達(dá)到0.10份時(shí)，石墨烯片層存在部分團(tuán)聚。團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生一定程度上導(dǎo)致PU0.10的力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)PU0.03的有所降低。

圖2 PU及其復(fù)合材料斷面SEM圖片

3.4 石墨烯改性聚氨酯材料在排沙洞閘門面板應(yīng)用

新疆某水電站為梯級(jí)工程，承擔(dān)發(fā)電和調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)，工程于2013年開(kāi)工，2014年底導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞過(guò)水。經(jīng)過(guò)兩年運(yùn)行，2016年底導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞出現(xiàn)磨蝕破壞現(xiàn)象，其中弧形工作閘門面板磨蝕破壞較為嚴(yán)重，閘門底緣水封螺栓孔下緣面板均沖磨蝕破壞，部分面板已沖磨貫穿，螺栓頭脫，如圖3所示。

圖3 閘門面板磨蝕破壞情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)磨蝕情況，選擇PU0.03復(fù)合材料作為原料，采用真空澆注工藝對(duì)該區(qū)域進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)后效果如圖4所示。

圖4 閘門面板磨蝕防護(hù)情況

經(jīng)過(guò)一年運(yùn)行，石墨烯改性聚氨酯涂層基本上完好，未出現(xiàn)磨蝕破壞，通過(guò)測(cè)量其硬度，與剛制備出的聚氨酯納米涂層硬度相當(dāng)，未出現(xiàn)衰減情況，經(jīng)過(guò)運(yùn)行后的涂層狀態(tài)如圖5所示，PU0.03復(fù)合材料制備的耐磨涂層起到了較好的磨蝕防護(hù)效果。

4 結(jié)論

圖5 運(yùn)行后閘門面板磨蝕防護(hù)效果

通過(guò)在聚氨酯中添加石墨烯，聚氨酯復(fù)合材料性能較純聚氨酯材料有明顯提高。當(dāng)添加0.03份石墨烯時(shí)，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度分別達(dá)到42.1 MPa、620 %、15.9 kN/m，抗沖磨性能也較純聚氨酯材料有所提高。石墨烯改性聚氨酯復(fù)合材料在排沙洞工作閘井面板應(yīng)用，運(yùn)行一年后，涂層基本完好，抗磨蝕效果顯著，有望進(jìn)一步推廣應(yīng)用。