石墨烯改性聚氨酯性能及其在排沙洞閘門面板的應用

蘇京明，李貴勛，牛金亮，劉東，鄭軍

（1.新疆華電和田水電有限責任公司，新疆 和田 848000；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

在高泥沙含量的河流上，水力機械及水工建筑物承受著含沙水流的磨蝕，遭受到了不同程度的破壞，每年需要投入相當的人力和物力對其進行維修和防護，個別破壞嚴重的地方，可能對電站、大壩安全運行造成威脅[1]。聚氨酯（PU）作為一種高分子材料，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐水性等優點，并且其分子結構可調控，在生活、醫療、工業等領域被廣泛應用[2]。鑒于其良好耐磨性，尤其抗空蝕性，聚氨酯被逐漸用于水力機械磨蝕防護，對其耐磨蝕性能研究也越來越多。結合目前研究及應用效果，在某些惡劣情況下聚氨酯不能滿足使用要求，需對其進行進一步的改性[3-5]。本文通過添加不同用量的石墨烯改性聚氨酯，研究不同配方聚氨酯材料力學性能，并將石墨烯改性聚氨酯材料在水庫排沙洞工作閘門面板進行了應用，取得了良好的防護效果。

2 試驗部分

2.1 試樣制備

將改性石墨烯與聚氨酯預聚體通過高速攪拌進行混合，加熱后與擴鏈劑混合，攪拌均勻，將混合液澆注至預熱好的模具；然后在120℃下固化2 h、90℃下固化6 h，裁切成標準試樣，做相關性能測試。

100份聚氨酯中分別加入0.01份、0.03份、0.05份、0.10份改性石墨烯，分別命名為PU0.01、PU0.03、PU0.05、PU0.10，具體配方如表1所示。

表1 石墨烯改性聚氨酯復合材料配比

2.2 性能測試

拉伸強度、斷裂伸長率測試：按照GB/T 528-2009測試，采用電子萬能試驗機（UTM2203型，深圳三思縱橫）測試，拉伸速度500 mm/min。

撕裂強度測試：試樣裁成直角型，按照GB/T 529-2008測試，試驗速度為500 mm/min。

耐沖磨性能測試：采用新型抗沖耐磨試驗系統，如圖1所示。以不同粒徑的石英砂為磨料，沖磨角度30°，沖磨時間5 min，試件表面砂速約26 m/s。

斷面形態觀察：試樣經過撕裂強度測試后，取其斷裂面較為平整部分，表面噴金處理后利用掃描電子顯微鏡（FEI Quanta FEG 250，美國）觀察。

3 結果與討論

3.1 石墨烯用量對聚氨酯力學性能的影響

表2 聚氨酯/石墨烯復合材料力學性能

從表2中可以看出，隨著改性石墨烯用量的增加，聚氨酯復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度等參數有所變化。隨著改性石墨烯用量增加，復合材料的拉伸強度先增加，當加入改性石墨烯0.03份時，復合材料的拉伸強度最大，由聚氨酯的34.5 MPa增加到42.1 MPa，增幅達到22.0 %，此時復合材料的斷裂伸長率、撕裂強度也達到最大，分別達到620 %、15.9 kN/m。繼續增加改性石墨烯用量，復合材料的拉伸強度下降。復合材料撕裂強度隨改性石墨烯用量變化趨勢與拉伸強度的變化趨勢一致。

3.2 石墨烯用量對聚氨酯耐沖磨性能的影響

經耐沖磨試驗后，聚氨酯及石墨烯改性聚氨酯復合材料質量損失率如表3所示。可以看出，聚氨酯材料經過沖磨試驗后，損失質量1.24 g，當加入0.03份改性石墨烯后，質量損失量為0.78 g，質量損失率最小。從測試的磨蝕深度可以看出，在改性石墨烯用量為0.03份時，磨蝕深度為0.10 mm，在5個試樣中磨蝕深度最小。綜合來說，當加入改性石墨烯0.03份時，聚氨酯/石墨烯復合材料的耐沖磨性能最優。

表3 聚氨酯/石墨烯復合材料耐沖磨性能

3.3 聚氨酯復合材料斷面形貌分析

PU、PU0.03、PU0.10三種材料經撕裂強度測試后，利用SEM來觀察石墨烯在試樣斷面的分散情況。如圖2所示，PU斷面非常規整，存在許多不規則的條紋，研究人員普遍認為該條紋是PU材料的硬段結晶區。從圖b中，可以看出改性石墨烯的用量為0.03份時，石墨烯片層均勻地分散在聚氨酯基體中，石墨烯與聚氨酯界面模糊，相容性較好。從圖c中發現，當石墨烯的用量達到0.10份時，石墨烯片層存在部分團聚。團聚現象的產生一定程度上導致PU0.10的力學強度相對PU0.03的有所降低。

圖2 PU及其復合材料斷面SEM圖片

3.4 石墨烯改性聚氨酯材料在排沙洞閘門面板應用

新疆某水電站為梯級工程，承擔發電和調峰發電后的反調節，工程于2013年開工，2014年底導流兼泄洪沖沙洞過水。經過兩年運行，2016年底導流兼泄洪沖沙洞出現磨蝕破壞現象，其中弧形工作閘門面板磨蝕破壞較為嚴重，閘門底緣水封螺栓孔下緣面板均沖磨蝕破壞，部分面板已沖磨貫穿，螺栓頭脫，如圖3所示。

圖3 閘門面板磨蝕破壞情況

根據現場磨蝕情況，選擇PU0.03復合材料作為原料，采用真空澆注工藝對該區域進行防護。防護后效果如圖4所示。

圖4 閘門面板磨蝕防護情況

經過一年運行，石墨烯改性聚氨酯涂層基本上完好，未出現磨蝕破壞，通過測量其硬度，與剛制備出的聚氨酯納米涂層硬度相當，未出現衰減情況，經過運行后的涂層狀態如圖5所示，PU0.03復合材料制備的耐磨涂層起到了較好的磨蝕防護效果。

4 結論

圖5 運行后閘門面板磨蝕防護效果

通過在聚氨酯中添加石墨烯，聚氨酯復合材料性能較純聚氨酯材料有明顯提高。當添加0.03份石墨烯時，拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度分別達到42.1 MPa、620 %、15.9 kN/m，抗沖磨性能也較純聚氨酯材料有所提高。石墨烯改性聚氨酯復合材料在排沙洞工作閘井面板應用，運行一年后，涂層基本完好，抗磨蝕效果顯著，有望進一步推廣應用。