doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.026

摘 要：針對(duì)關(guān)中地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)景觀被腐蝕后影響美觀和功能失效的問題，提出一種新型復(fù)合防腐涂料的制備。試驗(yàn)以傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂涂料為對(duì)照，對(duì)復(fù)合涂料的基礎(chǔ)性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在Q235碳鋼上的附著力達(dá)到了0級(jí)，鉛筆硬度達(dá)到了2 H。覆涂了復(fù)合涂層的Q235碳鋼自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為-0.346 V和0.012 μA/cm²，腐蝕速度為1.572×10^-4 mm/a，較純Q235碳鋼樣品極化曲線陽(yáng)極斜率降低，自腐蝕電流密度下降，自腐蝕電位正向移動(dòng)，腐蝕速率降低，表現(xiàn)出良好的防腐效果。將其用于關(guān)中地區(qū)景觀設(shè)計(jì)，其應(yīng)用效果和藝術(shù)效果良好，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：景觀設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)防腐；防腐涂料；防腐性能

中圖分類號(hào)：TQ637" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0096-04

Preparation and application of rare earth modified graphene"anticorrosive coating for landscape art design

LAI Fan1，LI Yue2

（1.Xian Peihua University，Xian 710125，China；

2.Wuhan Vocational Technical College，Wuhan 430074，China）

Abstract：A new type of composite anti-corrosion coating was proposed to address the issue of corrosion affecting the aesthetics and functional failure of steel structure landscapes in the Guanzhong area.

The test was carried out on the basic properties of the composite coating with the traditional epoxy resin coating as a control.The test results showed that the adhesion on Q235 carbon steel reached level 0，and the pencil hardness reached 2H.The self corrosion potential and self corrosion current density of Q235 carbon steel coated with composite coating were -0.346 Vand "0.012μA/cm²，respectively，corrosion rate 1.572×10^-4 "mm/a，compared to pure Q235 carbon steel samples，the polarization curve anode slope decreased，the self corrosion current density decreased，the self corrosion potential moved forward，and the corrosion rate decreased，demonstrating a good anti-corrosion effect.Applying it to landscape design in the Guanzhong area had shown good application and artistic effects，demonstrating good performance.

Key words：landscape design;steel structure anti-corrosion;anticorrosive coating;anticorrosive resistance

鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代景觀設(shè)計(jì)中較為重要的一種元素，具備滿足變形、受力要求等特點(diǎn)，在雕塑和造型方面有較好應(yīng)用效果。在鋼結(jié)構(gòu)制備的景觀元素使用過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，受空氣成分的影響，易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，影響了景觀的整體美觀和應(yīng)用效果。為了進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)防腐性能，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如制備了一種新型改性玻璃鱗片/水性環(huán)氧防腐涂料，并對(duì)其防腐性能進(jìn)行了研究^[1]。以環(huán)氧樹脂為主要原料，制備出一種高性能的防腐涂料^[2]。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂料熱穩(wěn)定性差的問題進(jìn)行優(yōu)化^[3]。對(duì)納米材料改性水性環(huán)氧涂料研究進(jìn)展進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后展望了未來(lái)水性環(huán)氧涂料的發(fā)展方向^[4]。以上學(xué)者的研究對(duì)于防腐涂料的優(yōu)化有重要意義。但目前并沒有將防腐涂料用于景觀鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究，基于此，試驗(yàn)以論文中的方法為參考，制備了一種用于景觀中鋼結(jié)構(gòu)防腐的新型涂料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究^[5]。

1"試驗(yàn)部分

1.1"材料與設(shè)備

主要材料：氧化石墨烯（碩邦新材料）；七水氯化鈰（華翔科潔生物）；潤(rùn)濕分散劑（琦鴻高分子材料）；水性環(huán)氧樹脂乳液（登諾新材料科技）；固化劑（雅杰建材）。

主要設(shè)備：MSP-2C型磁力攪拌機(jī)（科興儀器）；JA-1500型超聲波分散機(jī)（均瑞機(jī)械設(shè)備）；YZHR型水熱反應(yīng)釜（互佳儀器）；HAD-CL型真空抽濾機(jī)（普諾克設(shè)備）；CYT2-CS101-2EB 型真空干燥箱（科正儀器）； ZSK2型真空管式爐（漢口電爐）； ZEM15型掃描電鏡（澤鏡科技）；FTIR850型紅外光譜儀（萊森光學(xué)）；RW-9901型鉛筆硬度計(jì)（富瑞達(dá)儀器）。

1.2"試驗(yàn)方法

1.2.1"稀土改性石墨烯的制備

（1）取40 mL濃度為2 mg/mL的氧化石墨烯進(jìn)行磁力攪拌，攪拌時(shí)間為30 min。80 W超聲分散60 min;

（2）將173 mg七水氯化鈰放入步驟（1）制備的石墨烯分散液中，繼續(xù)進(jìn)行磁力攪拌，攪拌時(shí)間為3 h，然后室溫靜置1 d;

（3）將靜置后混合液倒入水熱釜中，在電熱鼓風(fēng)干燥箱的作用下進(jìn)行水熱處理，水熱溫度和時(shí)間分別為120 ℃和12 h;

（4）待混合液自然冷卻后，通過(guò)真空抽濾用去離子水將混合液洗滌至中性，然后將抽濾后石墨烯放入40 mL去離子水中，充分?jǐn)嚢韬蟮谷氩讳P鋼托盤，放入冰箱進(jìn)行冷凍處理，冷凍溫度和時(shí)間分別為-70 ℃和2 h;

（5）將冷凍后石墨烯分散液置于真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理，干燥壓力和時(shí)間分別為小于等于1 Pa和48 h，得到改性石墨烯前驅(qū)體;

（6）在真空管式爐的作用下進(jìn)行煅燒處理，煅燒條件為，氮?dú)獗Ｗo(hù)，750 ℃保溫1 h，得到稀土改性石墨烯。

1.2.2"復(fù)合涂料的制備

（1）在50 mL去離子水中依次放入30 mg潤(rùn)濕分散劑和525 mg稀土改性石墨烯，在磁力攪拌機(jī)的作用下混合均勻，磁力攪拌時(shí)間為30 min，繼續(xù)超聲分散60 min;

（2）在混合溶液中放入70 g水性環(huán)氧樹脂乳液，常溫?cái)嚢璩醪椒稚⒑筮M(jìn)行超聲分散，常溫?cái)嚢钑r(shí)間和超聲分散時(shí)間均為30 min;

（3）將35 g固化劑放入混合液中，室溫?cái)嚢?0 min得到復(fù)合涂料。按以上配比和步驟，不添加稀土改性石墨烯，得到環(huán)氧涂料。

1.2.3"復(fù)合涂層的制備

在關(guān)中地區(qū)，景觀設(shè)計(jì)多以Q235碳鋼為基底，表面覆涂一層涂料，起到保護(hù)碳鋼和增強(qiáng)美觀的作用^[6-7]。為驗(yàn)證本試驗(yàn)制備的復(fù)合涂料在關(guān)中地區(qū)景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，因此以普通環(huán)氧涂料為對(duì)比，Q235碳鋼為基底，噴涂的方式進(jìn)行覆涂，對(duì)復(fù)合涂層的性能進(jìn)行研究。

1.3nbsp;性能測(cè)試

1.3.1"微觀形貌分析

對(duì)附有涂層的樣品沿基體磨痕進(jìn)行切割處理，然后使用砂紙進(jìn)行拋光。噴金處理后用掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

1.3.2"官能團(tuán)分析

將4 mg涂料樣品與400 mg溴化鉀共同研磨后，制成薄片，通過(guò)紅外光譜儀對(duì)薄片進(jìn)行掃描，觀察官能團(tuán)特征峰變化。

1.3.3"附著力測(cè)試

參照GB/T 9286—1998 標(biāo)準(zhǔn)^[8-9]測(cè)試，具體過(guò)程為：通過(guò)劃格器對(duì)涂層進(jìn)行劃格處理，然后通過(guò)軟毛刷將表面脫落涂層刷去，通過(guò)3M膠帶對(duì)涂層固定，在1 s內(nèi)勻撕下膠帶，對(duì)附著力等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。

1.3.4"硬度測(cè)試

參照GB/T 6739—2006^[10-11]測(cè)試，具體過(guò)程為：在試驗(yàn)臺(tái)水平放置硬度計(jì)與待測(cè)試樣，在放置時(shí)要注意鉛筆芯尖端與涂層接觸。以恒定速度推動(dòng)硬度計(jì)2 cm，通過(guò)軟布與橡皮差對(duì)涂層表面進(jìn)行擦拭，對(duì)涂層表面情況進(jìn)行觀察，確定涂層硬度。

1.3.5"防腐性能測(cè)試

通過(guò)三電極曲線對(duì)涂層的極化曲線進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而表征涂層的防腐性能^[12-13]。

2"結(jié)果與討論

2.1"復(fù)合涂料結(jié)構(gòu)與官能團(tuán)表征

2.1.1"微觀結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)對(duì)涂層截面微觀形貌進(jìn)行分析，進(jìn)一步表征涂層與Q235碳鋼基材的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，環(huán)氧涂層的截面較為粗糙，不存在片層堆積結(jié)構(gòu)。涂層與基材的結(jié)合界面縫隙較為明顯。而復(fù)合涂層的截面較為光滑致密，可觀察到屬于石墨烯的“蟬翼狀”片層結(jié)構(gòu)，涂層裂縫和長(zhǎng)度明顯減少，涂層與基材間的結(jié)合較為緊密。這就證明了在復(fù)合涂料中引入稀土改性石墨烯后，受石墨烯堆疊效果的影響，明顯增強(qiáng)了涂層與基材的結(jié)合緊密度^[14-15]。

2.1.2"官能團(tuán)表征

圖2為紅外光譜圖譜。

由圖2可觀察到，在復(fù)合涂料中，存在O—H 吸收峰、 CH3中—C—H 鍵的特征峰，—C=C—特征峰， C—O—C 特征峰和C—H 、 C—C 鍵特征峰。與環(huán)氧樹脂涂料特征峰對(duì)比，其位置并未發(fā)生明顯變化，這就說(shuō)明在復(fù)合涂料中引入稀土改性石墨烯后，對(duì)環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響^[16-17]。二者的結(jié)合方式為物理結(jié)合。

2.2"附著力測(cè)試

圖3為附著力測(cè)試結(jié)果。

由圖3可知，2種涂料附著力均表現(xiàn)良好。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂自身具備較好的附著力，制備成涂料以后，可在碳鋼表面進(jìn)行有效附著。對(duì)比2種涂層，環(huán)氧樹脂涂層局部網(wǎng)格邊緣出現(xiàn)少量脫落，而復(fù)合涂層網(wǎng)格邊緣較為平滑，不出現(xiàn)脫落的情況，附著力達(dá)到0級(jí)，證明復(fù)合涂層與碳鋼基材結(jié)合的更為緊密，表現(xiàn)出良好的附著力。這是因?yàn)閺?fù)合涂層里面的稀土改性石墨烯具備一定的小分子效應(yīng)，這就增加了涂層的致密性，涂層與碳鋼的接觸面積增加，附著力得到有效提升^[18-19]。同時(shí)，經(jīng)過(guò)改性后的石墨烯柔韌性較好，與環(huán)氧分子鏈柔性纏繞，涂層韌性增強(qiáng)。再加上稀土改性石墨烯中的含氧官能團(tuán)在氫鍵的作用下，與基底表面羥基基團(tuán)相連，這就增加了2者間粘接力，使得復(fù)合涂層的附著力明顯優(yōu)于環(huán)氧涂層^[20]。

2.3"硬度測(cè)試

表1為硬度測(cè)試結(jié)果。

由圖4可知，基體極化曲線的陽(yáng)極斜率明顯高于陰極斜率，這就代表著碳鋼基體的腐蝕過(guò)程是由陽(yáng)極極化控制的。在覆涂涂層后，陽(yáng)極極化斜率降低，這就代表著金屬陽(yáng)極的腐蝕速率有一定下降，金屬基體得到有效保護(hù)。

表2為極化曲線擬合參數(shù)。

由表2可知，在Q235碳鋼表面覆涂涂層后，自腐蝕電位（E_corr）明顯正移，自腐蝕電流密度（I_corr）下降。以上結(jié)論就代表著，涂層可以有效保護(hù)碳鋼基體不被腐蝕。對(duì)比2種涂層可知，復(fù)合涂層較環(huán)氧涂層，其陽(yáng)極極化斜率降低程度和自腐蝕電流密度下降程度更大，自腐蝕電位正移更為明顯，腐蝕速率（C_R）更低，防腐效果更好。這是因?yàn)橄⊥粮男允┲械南⊥裂趸锞邆湟欢ǖ木徫g作用，可提高涂層的阻隔性能，使其防腐效果明顯增加。復(fù)合涂層的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為-0.346 V和0.012 μA/cm²，腐蝕速度為1.572×10^-4mm/a。

2.5"實(shí)際應(yīng)用效果分析

將制備的復(fù)合涂料用于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)藝術(shù)景觀的設(shè)計(jì)，效果見圖5。

由圖5可知，復(fù)合涂料在鋼結(jié)構(gòu)藝術(shù)景觀中，表現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）稀土改性石墨烯與環(huán)氧涂料的結(jié)合方式為物理結(jié)合，其獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合力和防護(hù)性能;

（2）復(fù)合涂層在Q235碳鋼上的附著力明顯優(yōu)于環(huán)氧涂層，與微觀結(jié)構(gòu)結(jié)論一致;

（3）稀土改性石墨烯在涂層內(nèi)部起到強(qiáng)化相的作用，提升了復(fù)合涂層的鉛筆硬度;

（4）覆涂了復(fù)合涂層的樣品極化曲線陽(yáng)極斜率降低，自腐蝕電流密度下降，自腐蝕電位正向移動(dòng)，腐蝕速率降低，表現(xiàn)出良好的防腐效果;

（5）將復(fù)合涂料用于關(guān)中地區(qū)景觀設(shè)計(jì)，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。

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收稿日期：2023-10-25；修回日期：2023-01-10

作者簡(jiǎn)介：賴"帆（1992-），女，碩士，講師，研究方向：景觀、室內(nèi)外空間設(shè)計(jì)；E-mail：w18089141641@163.com。

引文格式：賴"帆，李"岳.景觀藝術(shù)設(shè)計(jì)用稀土改性石墨烯防腐涂料的制備及應(yīng)用[J].粘接，2024，51（2）：96-99.