石墨烯防腐涂层研发及在铁路钢梁桥上的应用
2020-08-17涂建萍
陈 树 涂建萍
(1.江西省科学院能源研究所，江西 南昌 330096；2.南昌大学附属中学，江西 南昌 330047)
一、引言
据由侯保荣院士担任首席科学家的“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目统计，2014年我国的腐蚀总成本约占当年GDP的3.34%，总额超过21000亿元人民币，相当于每个中国人当年承担1555元的腐蚀成本。目前我国运营铁路线上，钢桥梁的长度占桥梁总长的11.2%。由于铁路钢桥梁的钢结构长期暴露在室外，受到紫外线辐射、大气、雨水及列出地漏污水、化工原料等有害物质的不断侵蚀，其涂装表面极易劣化，致使钢梁杆件发生不同程度的腐蚀，削弱承载截面，严重影响钢桥梁的使用寿命。石墨烯作为新兴的纳米材料，具有良好的阻隔性能和屏蔽性能，同时还兼具高导电、高强度等性能。将石墨烯材料与传统防腐涂料结合起来，石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好，涂层厚度低，附着力高，漆膜重量轻，耐盐雾性能极佳等优势，是传统防腐涂料的良好升级替代品种；同时，添加石墨烯而增加的成本远远低于其带来的防腐收益，因此石墨烯防腐涂料有望成为传统防腐涂料的良好升级替代品种。
二、石墨烯防腐机理
石墨烯的小尺寸效应、二维片层结构、疏水性和导电性，使其可作为添加剂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，同时石墨烯的二维片层结构在涂料中层层叠加，形成致密的物理隔绝层，而石墨烯的表面效应使其对水的浸润性差，当涂料中加入石墨烯后，石墨烯的疏水性会阻止水分子通过涂层接触金属基体，从而降低腐蚀，此外通过石墨烯的导电性能迅速将阳极反应中Fe失去的电子传递到涂层表面，从而防止Fe3+沉淀，减缓电化学腐蚀速率。
三、研制内容
(一)主要原材料
石墨烯，工业级，广东鸿纳(东莞)新材料有限公司；环氧树脂，工业级，蓝星新材料无锡树脂厂；692环氧树脂活性稀释剂，工业级，江阴万千化学品有限公司；三聚磷酸铝，工业级，广西化工研究院；气相二氧化硅，工业级，山东省寿光市昌泰微纳化工厂；消泡剂，工业级，烟台恒鑫化工科技有限公司；分散剂，工业级，天津赫普菲乐新材料有限公司；r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，工业级，蓝星星火化工厂。
(二)配方设计
(1)浆体配方设计(w/w %)
环氧树脂
50-60%
聚醚胺
6-15%
环氧树脂活性稀释剂
1-6%
三聚磷酸铝
8-15%
气相二氧化硅
5-10%
消泡剂
1-6%
分散剂
1-6%
r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷
8-15%
(2)低表面漆配方设计(w/w %)
浆体
45-55%
云母粉
6-12%
氧化锌
9-15%
磷酸锌
6-12%
硫酸钡
6-12%
铁灰
1-5%
稀释剂
5-10%
(3)固化剂(w/w %)
650：T31：593=190：220：110
(三)制作工艺
(1)浆体制作：以环氧树脂为成膜材料在3000r/min的高速搅拌机条件下，将环氧树脂活性稀释剂加入环氧树脂中充分搅拌，再添加填料三聚磷酸铝、气相二氧化硅、r-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，最后再加入适量分散剂、消泡剂，均匀搅拌30min以上即可，备用。
(2)防锈漆制作：将氧化锌、磷酸锌、云母粉、钛白粉、铁灰混合均匀加入浆料中，再加入1，4-丁二醇二缩水甘油醚，在3000r/min转速下高速搅拌30min以上，得到低表面防锈漆A组分。聚醚胺(D230、D2000)、低分子聚酰胺650、脂肪族改性的胺类固化剂T31，在2000r/min转速下搅拌15min以上，搅拌均匀，即得防锈漆固化剂B组分。
(四)性能指标测试
表1 性能指标
四，铁路钢梁桥应用
2018年3月21日在南昌铁路局青云谱车站“京九下行K1451+248处”，选择铁路涵洞桥的两边防护栏上进行现场涂刷试验，15分钟内将石墨烯基防锈涂层A组分与B组分按4：1的重量比混合均匀，同时用抹布将桥梁钢结构部分擦拭干净，随即对钢梁桥进行涂刷，两小时后，用手指轻摸角铁及圆钢表面，已经表干，未出现剥离、不粘合现象。经过19个月的现场认定，南昌铁路局南昌工务段判定本品质量比第六套钢桥体系涂层体系《TB/T1527-2011》更好，有以下几点优势：第一施工过程只需稍作除锈，涂装材料的表面处理达到Sa2.5级即可；第二直接用本品代替“底漆+中间漆”，这样大大缩短了施工时间；第三取消中间漆的涂装施工，节省了大量人力，降低了成本，本品质量比第六套钢桥体系涂层体系《TB/T1527-2011》更好。
五、结束语
石墨烯基防锈涂层在铁路钢梁桥上广泛应用，不仅是对环境友好的鲜明证明，同时也为国家节约了大量的物力财力，可谓一举多得。
