摘要：針對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層在固化和使用過(guò)程中，因氣泡和微裂紋造成涂層防護(hù)失效的問題，提出一種自修復(fù)防護(hù)涂料的制備。試驗(yàn)首先對(duì)防腐涂料配比進(jìn)行優(yōu)化，然后對(duì)涂料涂層的性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)柔性分子鏈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，改性氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，制備的防腐涂料性能最佳。此時(shí)，涂料形狀恢復(fù)率超過(guò)99%，愈合件抗拉強(qiáng)度為1.92 MPa，強(qiáng)度和應(yīng)變自修復(fù)效率分別為65.2%和82.6%，經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡3 d后附著力損失率約為25.3%，經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡10 d后，阻抗模量維持在9Ω/cm2以上，斷點(diǎn)頻率值約為1.0 Hz，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防腐；改性氧化石墨烯；涂層材料；防腐性能；自修復(fù)性能

中圖分類號(hào)：TQ635.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0119-04

Study on preparation and properties of anti-corrosion self-healing materials for roof pipe rack

ZONG Peng，F(xiàn)ENG Xiang，HE Haohuan

（Scegc NO.9 Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Yulin 719052，Shaanxi China）

Abstract：A self repairing protective coating is proposed to address the issue of coating protection failure caused by bubbles and microcracks during the solidification and use of traditional steel structure anti-corrosion coatings.The experiment first optimizes the ratio of anti-corrosion coatings，and then studies the performance of the coating.The experimental results show that the best anti-corrosion coating performance is achieved when the mass fraction of flexible molecular chains is 24%and the mass fraction of modified graphene oxide is 1.5%.At this point，the shape recovery rate of the coating exceeds 99%，the tensile strength of the healing part is 1.92 MPa and the strength and strain self-healing efficiency are 65.2%and 82.6%，respectively.After soaking in sodium chloride solution for 3 days，the adhesion loss rate is about 25.3%.After soaking in sodium chloride solution for 10 days，the impedance modulus is maintained above 9Ω/cm2，and the fracture frequency value is about 1.0 Hz，demonstrating good corro?sion resistance performance.

Key words：steel structure anti-corrosion；modified graphene oxide；anti corrosion coating；anti corrosion perfor?mance；self-healing performance

鋼結(jié)構(gòu)材料在使用的過(guò)程中，易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，影響材料的使用壽命。為解決結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問題，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究。如饒蓮[1]以水可分散型含羥基丙烯酸樹脂為基體，制備了一種鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料丙烯酸樹脂，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，該防腐涂料耐水時(shí)間為48 h，耐酸堿時(shí)間為24 h，耐鹽水時(shí)間為72 h，耐鹽霧時(shí)間為60 h，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，表面平整光滑，具有優(yōu)良的疏水性能，可有效用于鋼結(jié)構(gòu)防腐。黃小慶[2]綜述了多種防腐涂層的制備方法和改性方法，并對(duì)其局限性進(jìn)行了闡述。李通盛[3]則研究了改性后氧化石墨烯在環(huán)氧涂層中的應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)階段存在的問題進(jìn)行了探討與展望?？孜娜猍4]研究以金屬有機(jī)框架材料為主要研究對(duì)象，對(duì)其在防腐涂層領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行展望。以上學(xué)者的研究表明，在鋼結(jié)構(gòu)表面構(gòu)建防腐涂層是較為便捷也是較為有效的一種防腐方式。但在涂層固化過(guò)程中，易出現(xiàn)氣泡和微裂紋造成涂層防護(hù)失效的問題?；诖?，本試驗(yàn)以王慶博[5]論文為參考，制備了一種自修復(fù)防腐涂料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：濃硫酸（AR，瑞承化工）；磷酸（AR，冉熙化工科技）；天然石墨（AR，東凱石墨）；高錳酸鉀（AR，浣溪沙生物科技）；稀鹽酸（AR，宏泰化工）；碳酸氫鈉（AR，?；虏牧希?；丙酮（AR，鑫贏舜新材料）；二甲基乙酰胺（AR，百化化工）；2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（AR，華翔科潔生物科技）；1，6-二異氰酸酯（AR，興琰新材料科技）；二氯甲烷（AR，啟辰化工）；N-甲基吡咯烷酮（AR，鑫科化工）；正庚烷（AR，金和化工）；異丙醚（AR，創(chuàng)世化工）；環(huán)氧樹脂（AR，久耐防腐材料）；雙氧水（AR，三恩化工）。

主要設(shè)備：DL-5C型抽濾機(jī)（偉銘機(jī)械設(shè)備）；FDG-5型凍干機(jī)（隆海機(jī)械科技）；LTD600型超聲分散機(jī)（利騰達(dá)智能裝備）；DZF型真空干燥箱（捷呈實(shí)驗(yàn)儀器）；101-A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（米淇?jī)x器設(shè)備）；RE-1002型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（科興儀器）；FSG-Q-A型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（富思港工業(yè)檢測(cè)儀器）；YWX-150型鹽霧加速腐蝕實(shí)驗(yàn)箱（安奈試驗(yàn)設(shè)備）；PMC1000A型電化學(xué)工作站（兆輝防腐科技）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1改性氧化石墨烯的制備

（1）按照體積比9∶1將濃硫酸和磷酸混合，取出220 mL混合溶液放入5 g天然石墨，在冰水浴的條件下磁力攪拌，維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，并少量多次加入20 g高錳酸鉀進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為120 min；

（2）取出燒杯，在50℃的條件下反應(yīng)1 h。自然冷卻后，加入500 mL冰水進(jìn)行稀釋，緊接著加入5 mL 30%的雙氧水溶液。靜置24 h后抽濾，然后使用150 mL 1%的稀鹽酸溶液攪拌分散，完全分散后繼續(xù)進(jìn)行抽濾處理；

（3）按照體積比7∶3將丙酮與水進(jìn)行混合，取300 mL混合物放入步驟（2）的抽濾產(chǎn)物中，充分?jǐn)嚢璺稚⒑螅渭淤|(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳酸氫鈉溶液將混合物pH調(diào)節(jié)至7，在超聲震蕩的條件下反應(yīng)，超聲時(shí)間為4 h。超聲結(jié)束后抽濾，通過(guò)丙酮水溶液多次洗滌，抽濾，冷凍干燥，得到氧化石墨烯；

（3）對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行研磨處理，然后按照4∶1的體積比將氧化石墨烯與二甲基乙酰胺混合，在超聲波的作用下充分溶解；

（4）取200 mL氧化石墨烯溶液放入4 g 2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）和少量月桂酸二丁基錫，充分?jǐn)嚢杌旌虾笸ㄈ氲獨(dú)?，然后在油浴鍋的作用?00℃反應(yīng)16 h；

（5）取出反應(yīng)產(chǎn)物并多次沖洗，60℃烘干12 h，得到改性氧化石墨烯。

1.2.2柔性分子鏈的制備

（1）在100 mL三口燒瓶中依次放入5 g 2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶和47.2 g1，6-二異氰酸酯，通入氮?dú)夂笤谟驮l件下恒溫?cái)嚢瑁?/p>

（2）在恒壓滴液漏斗的作用下滴入適量的N-甲基吡咯烷酮，繼續(xù)保溫反應(yīng)，反應(yīng)溫度和時(shí)間分別為100℃和16 h。反應(yīng)結(jié)束后，放入過(guò)量二氯甲烷將反應(yīng)產(chǎn)物充分溶解；

（3）按照體積比5∶1將正庚烷和異丙醚進(jìn)行混合，然后將步驟（2）的溶液緩慢滴加至正庚烷和異丙醚的混合溶液中，滴加完成后靜置12 h。通過(guò)布式漏斗抽濾后，在真空干燥箱的作用下烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為60℃和12 h；

（4）在三口燒瓶?jī)?nèi)依次放入3 g烘干產(chǎn)物和100 mL二氯甲烷，磁力攪拌混合均勻，然后放入54 g聚醚按和少量二月桂酸二正丁基錫，通入氮?dú)夂笤谟驮∽饔孟聰嚢杌亓饕欢螘r(shí)間，油浴溫度為75℃;

（5）在三口燒瓶?jī)?nèi)放入過(guò)量二氯甲烷充分溶解反應(yīng)產(chǎn)物，抽濾后提純，得到目標(biāo)聚合物。

1.2.3防腐涂層的制備

（1）將一定量改性石墨烯與二甲基乙酰胺混合，并在超聲波的作用下均勻分散，得到改性氧化石墨烯溶液；

（2）將2 g柔性分子鏈與10 g環(huán)氧樹脂混合，然后放入改性氧化石墨烯分散液，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?。然后放? g固化劑，繼續(xù)攪拌20 min。通過(guò)真空干燥箱進(jìn)行真空除泡處理，除泡時(shí)間為15 min；

（3）取部分除泡溶液在電熱干燥箱的作用下進(jìn)行固化處理，固化溫度和時(shí)間分別為60℃和12 h，得到固化后樣品；

（4）同樣取部分除泡后溶液在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)固化，固化溫度和時(shí)間分別為60℃和2 h。將預(yù)固化的涂料均勻涂布在提前打磨的Q235鋼板上，控制涂層厚度為90μm。將涂布防腐涂層后的鋼板在電熱鼓風(fēng)干燥箱的作用下烘干固化，固化溫度和時(shí)間分別為80℃和12 h。

1.3性能測(cè)試

1.3.1自修復(fù)性能

用特定工具對(duì)防腐涂層進(jìn)行劃痕處理，測(cè)量劃痕寬度，然后將涂層置于30℃條件下靜置，48 h后再次測(cè)量劃痕寬度[6]。

1.3.2耐中性鹽霧腐蝕性能

參照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）制定的ASTM B117-19《鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，在鹽霧表面交叉劃痕后，通過(guò)鹽霧加速腐蝕實(shí)驗(yàn)箱對(duì)涂層的耐中性鹽霧腐蝕性能進(jìn)行研究[7-8]。

1.3.3基礎(chǔ)性能

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)愈合后固化樣品的強(qiáng)度自修復(fù)效率和應(yīng)變自修復(fù)效率進(jìn)行研究[9-10]。

1.3.4電化學(xué)測(cè)試

通過(guò)電化學(xué)工作站測(cè)試涂層的防腐性能[11]。

2結(jié)果與討論

2.1柔性分子鏈用量?jī)?yōu)化

分別以涂層耐腐蝕性能和自修復(fù)性能為指標(biāo)，以純環(huán)氧樹脂涂層為對(duì)照，選擇柔性分子鏈添加量分別為8%，16%、24%和30%的防腐涂層進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.1自修復(fù)性能

通過(guò)劃痕恢復(fù)情況和表征防腐涂層的自修復(fù)性能可知，純環(huán)氧樹脂涂層愈合后劃痕寬度基本不發(fā)生變化，并不表現(xiàn)出愈合趨勢(shì)，不具備自修復(fù)性能。而防腐涂層經(jīng)過(guò)48 h，30℃愈合后，劃痕寬度明顯縮短。且隨柔性分子鏈用量的增加，涂層愈合后劃痕寬度越短。代表柔性分子鏈對(duì)涂層的劃痕修復(fù)性能有明顯的提升作用[12-13]。當(dāng)柔性分子鏈用量達(dá)到24%時(shí)，劃痕愈合寬度達(dá)到最低值，繼續(xù)增加柔性分子鏈，劃痕不再繼續(xù)愈合。即此柔性分子鏈摻量條件下，已經(jīng)達(dá)到了劃痕修復(fù)的最佳狀態(tài)。

2.1.2防腐性能

中性鹽霧加速腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在前48 h，純環(huán)氧樹脂涂層開始出現(xiàn)腐蝕，防腐效果較差。而防腐涂層并沒有出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，這就說(shuō)明在鹽霧腐蝕的過(guò)程中，涂層實(shí)現(xiàn)了閉合和修復(fù)，有效抑制了腐蝕介質(zhì)與金屬基體的接觸，進(jìn)而抑制了腐蝕的發(fā)生[14-15]。而經(jīng)過(guò)480 h中性鹽霧加速試驗(yàn)后，所有涂層均開始出現(xiàn)腐蝕。且隨柔性分子鏈用量的增加，涂層的腐蝕面積表現(xiàn)出增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)柔性分子鏈添加量為24%，涂層的腐蝕面積最小，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

綜上，柔性分子鏈摻量為24%時(shí)，防腐涂層表現(xiàn)出良好的自修復(fù)性能和耐腐蝕性能，因此后續(xù)試驗(yàn)中，選擇柔性分子鏈摻量24%繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2改性氧化石墨烯用量?jī)?yōu)化

以純環(huán)氧樹脂涂層為對(duì)照，選擇改性石墨烯添加量分別為0.5%，1.0%、1.5%和2.0%的防腐涂層進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.1自修復(fù)性能

改性氧化石墨烯摻量對(duì)涂層自修復(fù)性能的影響，隨改樣氧化石墨烯添加量的增加，涂層愈合后寬度表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。說(shuō)明適宜摻量的改性氧化石墨烯對(duì)涂層愈合產(chǎn)生積極的效果，但過(guò)量的改樣氧化石墨烯對(duì)防腐涂層中柔性分子鏈的移動(dòng)有明顯的限制作用，影響了涂層的位移，進(jìn)而對(duì)涂層的閉合產(chǎn)生影響[16-17]。因此可以確定，在防腐涂層中，改性氧化石墨烯摻量應(yīng)不超過(guò)1.5%。

2.2.2防腐性能

改性氧化石墨烯對(duì)防腐涂層防腐性能的影響如表2所示。

由表2可知，在中性鹽霧腐蝕48 h后，純環(huán)氧涂層開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，而改性氧化石墨烯摻量為2%的防腐涂層也開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕。這可能是因?yàn)檫^(guò)量改性氧化石墨烯限制了柔性分子鏈的運(yùn)用，影響了防腐涂層的自修復(fù)性能，進(jìn)而影響了防腐涂層的防腐性能[18-19]。而其余摻量的防腐涂層均表現(xiàn)出良好的防腐性能，在240 h后，才開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，而改性氧化石墨烯摻量為1.5%的防腐涂層在480 h后才開始出現(xiàn)腐蝕。表明改性氧化石墨烯進(jìn)一步增強(qiáng)了防腐涂層的防腐性能。

綜上，在后續(xù)試驗(yàn)中，選擇適合的改性氧化石墨烯摻量為1.5%。

2.3防腐涂層基礎(chǔ)性能分析

對(duì)防腐涂層的基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析結(jié)果由表3可知，最佳條件下制備的防腐涂層基礎(chǔ)性能良好，具備良好的自修復(fù)性能和附著力，滿足實(shí)際工程需求。

2.4防腐涂層防腐性能分析

在2.1和2.2節(jié)中，通過(guò)中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證了防腐涂層的防腐性能。在本節(jié)中，采用電化學(xué)測(cè)試進(jìn)一步對(duì)最佳條件下制備的防腐涂層防腐性能進(jìn)行研究可觀察到，防腐涂層經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡后10 d，阻抗下降較緩，幾乎維持在9Ω/cm2以上；且在該時(shí)刻，涂層的斷點(diǎn)頻率值約為1.0 Hz，表明經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡10 d后，涂層仍穩(wěn)定的附著在金屬基體表面，不發(fā)生脫落，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能[20]。

3結(jié)語(yǔ)

綜上，本試驗(yàn)制備的防腐涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和防腐性能，可以在鋼結(jié)構(gòu)管架屋面管道防腐等方面發(fā)揮重要作用，現(xiàn)將具體結(jié)論總結(jié)如下：

（1）柔性分子鏈對(duì)防腐涂層的自修復(fù)性能起到關(guān)鍵作用，但其摻量存在最佳閾值，過(guò)量柔性分子鏈無(wú)法使劃痕完全愈合。

（2）適量的改性氧化石墨烯對(duì)防腐涂層的防腐性能有明顯提升作用，且不影響防腐涂層的自修復(fù)性能。但過(guò)量改性氧化石墨烯會(huì)阻礙柔性分子鏈的運(yùn)動(dòng)，對(duì)涂層的自修復(fù)性能和防腐性能產(chǎn)生影響。

（3）防腐涂層基礎(chǔ)性能良好，滿足實(shí)際工程要求。

（4）防腐涂層經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡后10 d，阻抗模量維持在九次方，斷點(diǎn)頻率值約為1.0 Hz，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

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（責(zé)任編輯：李睿）