輸電鐵塔塔腳防護用無溶劑環氧涂料的研制及其防腐性能研究

胡家元，李延偉，劉 栓，，陳科鋒，孫立三，戚浩金，方云輝，周開河，張 鴻

(1. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014)(2. 中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室 浙江省海洋材料與防護技術重點實驗室中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201)(3. 國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315201)(4. 中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 前 言

輸電鐵塔的安全可靠性直接影響整個輸電線路的穩定運行。近年來，由于塔腳保護帽積水和環境污染引起保護帽風化，導致部分輸電鐵塔塔腳發生嚴重腐蝕，特別是鐵塔主材與保護帽連接處[1, 2]。圖1為2016年發現的某220 kV線路鐵塔塔腳腐蝕損傷照片。該鐵塔位于近海化工區，型號為220Z1，呼高35.5 m，質量約8.5 t，材質為鍍鋅鋼材，2001年6月建成投運。由圖1可知，塔腳鍍鋅層已腐蝕破壞且鋼構件已出現銹蝕缺口，若不采取有效的保護措施，可能造成鐵塔傾倒事故。

圖1 鐵塔塔腳銹蝕形貌：(a)保護帽覆蓋，(b)保護帽去除后Fig.1 Digital photos of corrosion morphology of transmission tower foot: (a) covered by cement cap, (b) cement cap removed

國家電網福建省電力有限公司電力科學研究院在實驗室模擬塔腳腐蝕環境，探究鍍鋅層在塔腳保護帽混凝土中的耐蝕性能時發現[3]，由于混凝土的毛細作用，導致其內部處于潤濕狀態，為塔腳腐蝕提供了條件。鐵塔安裝時，若未對塔腳和混凝土基礎連接部位采取防護措施，在后期服役過程中會發生塔腳局部腐蝕破壞。

中國電力科學研究院[4]對輸電鐵塔在不同腐蝕環境的防腐配套給出了具體建議：在一般大氣腐蝕環境或輕微污染區域，采用低表面處理底漆2道+丙烯酸酯面漆2道；而對于化工重污染區和海洋環境區域，采用低表面處理底漆2道+環氧云鐵中間漆1道+氟碳改性丙烯酸酯面漆2道，涂層總膜厚要達到200 μm以上。針對銹蝕后的鐵塔保護帽，目前多采用環氧富鋅底漆、環氧煤瀝青或防銹底漆[5]進行腐蝕防護，但由于鍍鋅層表面能低，富鋅涂料在其表面的附著力低，一般涂裝2～3年后就需要重新涂刷。而環氧煤瀝青雖附著力較好，但其綜合防腐性能低，耐水性相對較差。一般防銹底漆的VOC排放往往達不到排放標準，不適合野外露天施工的環保要求。若對鍍鋅層表面進行噴砂或者拋丸處理，增加其粗糙度，可以有效提高涂料在鍍鋅層表面的附著力，但會大大增加現場施工難度和施工成本。

針對以上問題，本研究制備了一種低粘度強滲透性的無溶劑環氧防腐涂料，只需要對鍍鋅層基體進行簡單打磨處理，就可以進行防腐涂裝。同時配方中添加阻隔性強的片狀填料、鐵銹轉化劑和活性稀釋劑，以改性胺為固化劑，可以有效提高涂層在鍍鋅層上的附著力。

2 實 驗

2.1 主要原材料

無溶劑環氧涂料原材料：環氧樹脂E51購自南亞環氧樹脂(昆山)有限公司；酚醛環氧樹脂購自陶氏化學公司；活性稀釋劑、分散劑、防沉劑、單寧酸、硫酸鋇、滑石粉、腰果酚改性胺類固化劑等為工業品級；助劑：BYK。

2.2 配方

輸電鐵塔塔腳防護用無溶劑環氧涂料配方見表1。制備方法如下：按表1配比在環氧樹脂中依次加入酚醛環氧、分散劑、KH560、磷酸鋅、滑石粉、單寧酸、絹云母、硫酸鋇、防沉劑等顏填料和助劑(按照先輕后重的順序)，在分散設備中攪拌均勻，然后用砂磨機研磨至細度為50 μm，過濾、包裝即得輸電鐵塔塔腳防護用低粘度無溶劑環氧涂料，涂料的粘度為1500～1600 mPa·s。圖2為制備涂料添加固化劑后在混凝土塊上涂膜后的照片。固化后的漆膜在混凝土表面光滑平整，無明顯流掛現象，漆膜向混凝土內部滲透并固化，滲透深度約2～3 mm。該無溶劑涂料可對塔腳保護帽進行有效防護，漆膜可滲透到保護帽內部，抑制保護帽老化和風化，延長塔腳保護帽的服役壽命。

表1 無溶劑環氧涂料配方

圖2 無溶劑涂料在混凝土塊上的成膜照片Fig.2 Photos of solvent-free coating coated on concrete blocks

2.3 無溶劑涂料/鍍鋅鋼電極制備

將鍍鋅鋼板加工至尺寸為1 cm×1 cm×0.3 cm(購自上海寶鋼)。取鍍鋅層面作為工作面，對立面焊接銅導線，其余面在PVC柱形套管中用環氧樹脂封裝，固化7 d后采用顆粒尺寸6.5 μm 的SiC砂紙打磨，蒸餾水沖洗，丙酮浸泡30 min除油，放置真空干燥箱備用。采用線狀涂布器在電極上涂裝無溶劑涂料，涂料與固化劑的質量比為5∶1，干膜厚度為(150±4) μm。

2.4 測試手段

采用CHI660-E電化學工作站，以交流阻抗譜和動電位極化曲線研究制備的無溶劑環氧涂料在質量分數(下同)3.5%的NaCl溶液中浸泡不同時間的防護性能。以無溶劑涂料/鍍鋅鋼為工作電極，帶有魯金毛細管的飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極(工作面面積為2.0 cm2)為對電極，在3.5% NaCl溶液中浸泡直至開路電位(OCP)穩定后，在OCP下以正弦波擾動幅值20 mV、頻率范圍10-2～105Hz進行EIS掃描。極化曲線測試的電位掃描范圍為-0.25～+0.25 V(vs.OCP)，掃描速率0.001 V/s。采用CHI660E自帶的Special analysis軟件在Tafel區擬合，解析電化學腐蝕參數。無溶劑環氧涂料在混凝土上制樣參照《色漆和清漆標準試板》(編號為GB/T 9271-2008)進行，鹽霧實驗依照《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》(編號為GB/T 1771-2007)進行。鹽霧噴霧鹽水為5%的NaCl水溶液，鹽霧箱溫度為35 ℃。

3 結果與討論

3.1 硅烷偶聯劑對漆膜性能的影響

硅烷偶聯劑是分子鏈中同時含有兩種不同化學性質基團的有機硅化合物，其經典產物可用通式YSiX3表示，Y為非水解基團，X為水解基團。硅烷偶聯劑可在無機物質和有機物質的界面之間架起“分子橋”，將兩種性質懸殊的材料連接在一起提高復合材料的性能和粘接強度[6, 7]。本研究中采用的硅烷偶聯劑為環氧基官能團硅烷KH560，化學名稱為γ-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。表2是涂料配方中添加不同質量分數KH560后的漆膜性能參數，添加質量分數2%的KH560后，漆膜的附著力從5.6提高到8.9 MPa，漆膜抗沖擊也從2級提高到1級。這是因為KH560中含有甲氧基硅烷，在成膜過程中甲氧基硅烷水解為SiOH，SiOH與基材表面的羥基(—OH)形成氫鍵，并伴隨脫水反應而與基材形成共價鍵；同時KH560中的環氧基團可與固化劑交聯反應，提高有機涂層中無機填料的分散性和黏合性。綜合成本因素，建議硅烷偶聯劑的添加量在1%～2%。KH560的沸點為290 ℃，導致漆膜的表干和實干時間延長，冬天施工時，建議添加量降低。

表2 硅烷偶聯劑KH560對漆膜物理性能的影響

3.2 EIS曲線評價涂層的防腐性能

涂層的耐滲水性是評價有機涂層防護性能的一個重要指標，在全浸實驗中由于水分子的滲入，有機涂層的電阻和電容變化顯著[8, 9]。為了探究輸電鐵塔塔腳防護用無溶劑環氧涂料的防腐性能，在實驗室進行涂層/鍍鋅鋼體系在3.5% NaCl溶液浸泡實驗。以鍍鋅鋼為基底，涂覆所制無溶劑涂料，室溫固化7 d后進行電化學測試，控制干膜厚度為(150±4) μm。圖3是所制涂層/鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間的交流阻抗譜圖，在浸泡35 d內，涂層/鍍鋅鋼體系在10-2～105Hz頻率只出現1個容抗弧，對應于涂層電容和涂層電阻，說明所制無溶劑涂層擁有良好的物理阻隔性能，可以有效抑制水分子在涂層中的滲透[10]。涂層/鍍鋅鋼體系在3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后，水分子沒有滲透到達鍍鋅鋼基底。采用等效電路Rs(QcRc)對不同浸泡時間的交流阻抗譜進行擬合。在等效電路中，Rs為溶液電阻，Qc代表涂層電容，Rc為涂層電阻[11, 12]，發現涂層/鍍鋅鋼體系的涂層電阻從浸泡初期的1.89×1010Ω·cm下降到浸泡35 d后的8.96×109Ω·cm，說明所制無溶劑涂層電阻逐漸降低，耐蝕性能有所下降。從交流阻抗譜圖可以看出，所制無溶劑涂料可以抑制腐蝕介質與鍍鋅層接觸，對輸電鐵塔塔腳進行有效保護。

圖3 涂層/鍍鋅鋼在質量分數3.5%的NaCl溶液中浸泡不同時間的交流阻抗譜Fig.3 EIS curves of coating/galvanized steel immersed in 3.5% NaCl solution after different immersion times

3.3 動電位極化曲線評價涂層的防腐性能

為了對比制備涂料對鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液的防護效果，分別測試鍍鋅鋼(鍍鋅鋼已在空氣中放置2年，表面鍍鋅層被空氣氧化)和涂層/鍍鋅鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡35 d后的動電位極化曲線，見圖4。由圖4可知，涂層/鍍鋅鋼體系的自腐蝕電位正移，說明鍍鋅鋼腐蝕傾向小；與純鍍鋅鋼電極相比，涂覆涂層后鍍鋅鋼的陽極極化曲線斜率從168.2增大到254.3 mV/dec，陰極極

圖4 鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在質量分數3.5%的NaCl溶液中浸泡35 d后的極化曲線Fig.4 Polarization curves of galvanized steel and coating/galvanized steel system immersed in 3.5% NaCl solution after 35 d

化曲線斜率絕對值從136.4增大到252.7 mV/dec，說明無溶劑涂料能同時抑制鍍鋅層陽極反應和陰極反應[13, 14]。在Tafel區進行擬合，得到的電化學腐蝕參數見表3。鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后的自腐蝕電流密度分別為74.4和0.213 μA/cm2，說明無溶劑涂料將鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率降低了約350倍，所制無溶劑涂料可以有效抑制鍍鋅鋼的腐蝕，與EIS結果一致。

表3 鍍鋅鋼和涂層/鍍鋅鋼在質量分數3.5% NaCl溶液中浸泡35 d后的電化學腐蝕參數

3.4 鹽霧實驗

鹽霧實驗噴霧鹽水為5%的NaCl水溶液，鹽霧箱的溫度為35 ℃。參照《色漆和清漆標準試板》(編號為GB/T 9271-2008)進行涂層制樣，采用刷涂方式對長方體混凝土塊進行涂裝，干膜厚度為(300±20) μm，圖5是無溶劑涂層/混凝土體系在鹽霧試驗箱中試驗2000 h的鹽霧照片，涂層完整，沒有起泡或剝落現象。試樣表面擦拭后進行拉拔實驗，涂層與基材的附著力為7.0 MPa，說明制備無溶劑涂層體系與混凝土之間具有良好的濕附著力。

圖5 涂層/混凝土體系鹽霧2000 h的照片，涂層厚度為300 μmFig.5 Digital photo of the solvent-free coating/concrete system in salt spray chamber for 2000 h, coating thickness was 300 μm

4 結 論

(1) 制備了一種滲透性良好的輸電鐵塔塔腳防護用無溶劑環氧防腐涂料，該涂料具有粘度低、流平性好和施工方便等優點。添加質量分數1%～2%的KH560，可以明顯提高漆膜的附著力和柔韌性。

(2)無溶劑涂層對鍍鋅鋼在3.5% NaCl溶液中具有良好的防護性能，隨著浸泡時間延長，涂層電阻逐漸減小。

(3)無溶劑涂層/混凝土體系具有良好的耐鹽霧性能，鹽霧2000 h后，涂層仍具有良好濕附著力。