包头冶金建筑研究院：石墨烯改性重防腐复合涂层研制

包头冶金建设研究院 内蒙古 包头 014000

1 石墨烯改性重防腐复合涂层的研制

在海洋大气腐蚀环境中，混凝土碳化和氯离子对钢筋的腐蚀是海上钢筋混凝土劣化和失效的主要原因。我国海洋平台和港口码头建设初期，部分海上混凝土使用不到10年就发现出现大面积腐蚀，导致其使用寿命远低于设计要求[1]。一些海上混凝土钢结构的腐蚀照片见图1。应用海洋重防腐涂料是提高混凝土使用寿命最方便、最经济有效的防护技术方法[2]。重防腐涂料是指能够在较为恶劣的腐蚀环境下长期使用并保持良好防护性能的一类特种涂料。重防腐涂料一般由主成膜物质、次要成膜物质、溶剂、各种助剂和固化剂等组成。主要成膜物质是天然树脂和合成树脂，是重防腐涂料的基础，具有与涂料中其他成分粘结形成涂膜的作用；二次成膜物质主要包括防锈颜料、功能填料和各种增韧剂等，可以有效提高有机涂料的含铁量。锈转化能力和遮盖力使其能够发挥其装饰和防护功能；固化剂是有机涂料体系的重要组成部分。它主要通过与主要成膜物质的交联反应来提高漆膜的致密性，并能提高漆膜与基材之间的附着力[3-4]。

图1 海上混凝土钢结构腐蚀照片

重防腐涂料产品特点[5-6]：

(1)防腐寿命特别长。重防腐涂料的防腐寿命一般在10年以上。即使在强酸、强碱和化学溶剂中，也能达到5年以上的使用寿命。

(2)漆膜厚度较厚。重防腐涂料的干膜厚度一般设计在200μm以上。在一些防腐技术规范中，重防腐涂料的总膜厚可高达2000μm。

(3)复合涂层体系。重防腐涂料一般采用防腐底漆、阻隔中间漆和耐候面漆进行配套涂装。防腐底漆主要提供涂层与保护基材之间的附着力，并具有一定的锈转化功能；阻隔中间漆主要作用是增加漆膜总膜厚，并具有优良的水蒸气阻隔功能和耐腐蚀介质渗透功能；耐候面漆主要用于防止紫外线老化并提供美观的装饰。

本文根据沿海使用环境中钢筋混凝土的特点，开发了一种用于混凝土防护的新型石墨烯改性重防腐复合涂料体系，具体包括环氧渗透防锈底漆、高固体份石墨烯阻隔中间漆和氟碳耐候面漆。其中，在环氧底漆中添加活性稀释剂，可以增加漆膜在混凝土中的渗透性，提高漆膜与混凝土的附着力。添加一些环氧磷酸盐和单宁可以与腐蚀的钢筋螯合。反应提高底漆的锈转化效果；高固石墨烯阻隔中间漆主要采用石墨烯作为功能填料。通过高效的物理分散技术，将二维层状石墨烯均匀分散在环氧树脂中。通过配方优化，提高了中间漆的密度和水汽阻隔功能。同时，具有一定的抗氯离子渗透能力。实验室测试了高固体分石墨烯阻隔中间漆的基本性能。涂层基材为马口铁。发现马口铁上的漆膜均匀、平整。采用《GB/T9286-1998色漆、清漆漆膜划格试验》。进行百格附着力测试，划格处未发现漆膜剥落，划格处无崩边现象。明高固体石墨烯阻隔中间漆在马口铁上的附着力为0级；采用《GB1731-79漆膜柔软度测定方法》测定的漆膜柔软度为2mm，采用《GB/T1732-1993漆膜耐冲击性测定》进行测试，耐冲击性试验按《方法”，结果表明漆膜柔韧性为50cm。测试照片如图2所示。耐候面漆主要采用氟碳树脂为主要成膜材料，并添加紫外线吸收剂和包覆钛白粉，可有效提高漆膜的抗老化性能，同时还具有防污和美化装饰效果。所开发的复合涂层系统的防护性能在实验室进行了评估。结果表明，其耐盐雾≥5000h，耐水、耐酸碱≥3000h，综合防护性能优良。

图2 高固体分石墨烯阻隔中间漆的抗冲击性、柔韧性和附着力测试照片

2 石墨烯改性重防腐复合涂层在海洋混凝土防护涂层中的应用

沿海地区钢筋混凝土柱和顶面的现场涂漆。该地区属于北亚热带海洋大气的腐蚀环境。四季分明，季风交替显着，雨量充沛，温暖湿润。使用五年后，钢筋混凝土已经严重风化，出现在钢筋上。生锈的迹象。通过现场勘察、防腐性能评价，并结合业主要求，采用如下防腐施工工艺（具体见表1）对海上混凝土进行刷涂。涂层效果如图3，施工时间为2018年6月，施工注意事项如下：

（1）严格按照《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》和《港口工程混凝土结构防腐技术规范》的要求，进行文明施工。

(2)对钢筋混凝土基材进行全面检查，对老化混凝土表面进行机械打磨，用腻子找平后进行油漆。严格按照基材前处理——检验申请——底漆施工——检验申请中漆施工——检验申请——面漆施工——竣工验收的程序。严格记录每次施工情况。如发现厚度不足，应及时修补。如发现粘连，不合格，应及时清除，重新涂漆。

（3）专业涂装技术服务人员负责质量控制和监督，并认真保存现场施工记录（包括涂装环境、涂装位置、涂料型号及用量、干膜厚度、漆膜外观、涂装日期、涂装安装情况）人员等），报主管审核确认。

(4)底漆涂完后，最好在24小时内涂刷中间漆。这幅画使用了渗透性环氧底漆。其作用是渗透到混凝土中并在基材内部固化成膜，无论底漆的膜厚如何，都可以增强增韧效果并提高中间漆的优异附着力。

(5)中层漆的施工必须在底漆完成后进行。这幅画分为两层。施工前将固化剂倒入主剂中，搅拌均匀，在活化期内完成涂装。中间漆规定漆膜要厚一些，所以涂漆时要注意防止流挂。涂装完成后，经检测膜厚符合标准后方可施涂面漆。

(6)涂装面漆时，必须注意外观。在涂面漆之前可以打磨中间漆。涂完面漆后，不应有明显的刷痕或流挂。

(7)每次配制油漆必须在规定时间内完成。必须严格按照主剂和固化剂的比例配制。油漆凝固变稠后不得稀释。

（8）雨天、大风天气禁止施工，空气湿度RH>85%禁止施工。

表1 钢筋混凝土防腐施工工艺

施工完成后，现场涂层性能测试结果表明，复合涂层在混凝土表面具有良好的施工性能，漆膜附着力达到0级。

图3 石墨烯改性重防腐复合涂层对钢筋混凝土的保护照片

3 石墨烯改性重防腐复合涂层后续防护性能评价

石墨烯改性重防腐复合涂层在钢筋混凝土上使用30个月后，评价涂层的防护性能和老化性能。发现漆膜完整，无起泡、无剥落、无腐蚀迹象。白格附着力为0级。采用光度计对6种漆膜在钢筋混凝土柱上的变色性能进行了评价。老化后和老化前漆膜的变色性能结果见表2。测试结果显示，现场使用30个月后漆膜的ΔE

表2 涂层老化后与老化前变色性能对比测试

表3涂装30个月后复合涂层防护试验评价综合等级

4 结论

(1)本文开发了一种用于混凝土保护的新型石墨烯改性重防腐复合涂料体系。实验室评价表明，复合涂层的耐盐雾性能≥5000h，耐水、耐酸碱性能≥3000h。综合防护性能优良。

(2) 将开发的涂料应用于钢筋混凝土柱和顶面。使用30个月后，综合防护等级为0级，预计防护寿命10年以上。

参考：

[1] 侯雷，李卫华，郑海兵，等. 海洋钢筋混凝土结构防腐技术研究进展［J］.材料保护，2017, 50(3):62-67．

[2] 刘栓，周开和，吴跃斌，等。石墨烯改性重防腐涂料在世界最高输电铁塔上的防腐应用［J］．腐蚀科学与防护技术，2019，31(1)：114-120。

[3] 王玉琼，刘栓，刘兆平，等．石墨烯掺杂水性环氧树脂的阻水及防护性能［J］．电镀与表面处理, 2015, 34(6):314-320．

[4] 刘栓，蒋欣，赵海潮，等。石墨烯环氧涂层耐磨耐蚀性能研究［J］.摩擦学杂志，2015，35（5）：598-605

[5] 程红红，刘栓，王丽萍，等。石墨烯防腐涂层对油罐沉淀水的防腐机理研究[J].表面技术, 2017, 46(11):83-89．

[6] 刘栓，王春亭，程庆利，等。石墨烯基涂层防护性能研究进展［J］.中国材料进展，2017，36(5)：377-383。

[7] 张晓东，赵跃，郭艳芬，等。 FEVE涂层老化及寿命预测研究［J］.涂料工业, 2013, 43(5):62-65．