景觀藝術設計用稀土改性石墨烯防腐涂料的制備及應用

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.026

摘 要：針對關中地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)景觀被腐蝕后影響美觀和功能失效的問題，提出一種新型復合防腐涂料的制備。試驗以傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂涂料為對照，對復合涂料的基礎性能進行測試。試驗結(jié)果表明，在Q235碳鋼上的附著力達到了0級，鉛筆硬度達到了2 H。覆涂了復合涂層的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極斜率降低，自腐蝕電流密度下降，自腐蝕電位正向移動，腐蝕速率降低，表現(xiàn)出良好的防腐效果。將其用于關中地區(qū)景觀設計，其應用效果和藝術效果良好，表現(xiàn)出良好的應用性能。

關鍵詞：景觀設計；鋼結(jié)構(gòu)防腐；防腐涂料；防腐性能

中圖分類號：TQ637" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：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)代景觀設計中較為重要的一種元素，具備滿足變形、受力要求等特點，在雕塑和造型方面有較好應用效果。在鋼結(jié)構(gòu)制備的景觀元素使用過程中，需要長時間暴露在空氣中，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用效果。為了進一步提升鋼結(jié)構(gòu)防腐性能，部分學者也進行了很多研究，如制備了一種新型改性玻璃鱗片/水性環(huán)氧防腐涂料，并對其防腐性能進行了研究^[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]。針對鋼結(jié)構(gòu)涂料熱穩(wěn)定性差的問題進行優(yōu)化^[3]。對納米材料改性水性環(huán)氧涂料研究進展進行統(tǒng)計，最后展望了未來水性環(huán)氧涂料的發(fā)展方向^[4]。以上學者的研究對于防腐涂料的優(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)設計中的研究，基于此，試驗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，并對其性能進行研究^[5]。

1"試驗部分

1.1"材料與設備

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）。

主要設備：MSP-2C型磁力攪拌機（科興儀器）；JA-1500型超聲波分散機（均瑞機械設備）；YZHR型水熱反應釜（互佳儀器）；HAD-CL型真空抽濾機（普諾克設備）；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）；RW-9901型鉛筆硬度計（富瑞達儀器）。

1.2"試驗方法

1.2.1"稀土改性石墨烯的制備

（1）取40 mL濃度為2 mg/mL的氧化石墨烯進行磁力攪拌，攪拌時間為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)進行磁力攪拌，攪拌時間為3 h，然后室溫靜置1 d;

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

（4）待混合液自然冷卻后，通過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，充分攪拌后倒入不銹鋼托盤，放入冰箱進行冷凍處理，冷凍溫度和時間分別為-70 ℃和2 h;

（5）將冷凍后石墨烯分散液置于真空干燥箱中進行干燥處理，干燥壓力和時間分別為小于等于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行煅燒處理，煅燒條件為，氮氣保護，750 ℃保溫1 h，得到稀土改性石墨烯。

1.2.2"復合涂料的制備

（1）在50 mL去離子水中依次放入30 mg潤濕分散劑和525 mg稀土改性石墨烯，在磁力攪拌機的作用下混合均勻，磁力攪拌時間為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，常溫攪拌初步分散后進行超聲分散，常溫攪拌時間和超聲分散時間均為30 min;

（3）將35 g固化劑放入混合液中，室溫攪拌30 min得到復合涂料。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"復合涂層的制備

在關中地區(qū)，景觀設計多以Q235碳鋼為基底，表面覆涂一層涂料，起到保護碳鋼和增強美觀的作用^[6-7]。為驗證本試驗制備的復合涂料在關中地區(qū)景觀設計中的應用，因此以普通環(huán)氧涂料為對比，Q235碳鋼為基底，噴涂的方式進行覆涂，對復合涂層的性能進行研究。

1.3nbsp;性能測試

1.3.1"微觀形貌分析

對附有涂層的樣品沿基體磨痕進行切割處理，然后使用砂紙進行拋光。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，通過紅外光譜儀對薄片進行掃描，觀察官能團特征峰變化。

1.3.3"附著力測試

參照GB/T 9286—1998 標準^[8-9]測試，具體過程為：通過劃格器對涂層進行劃格處理，然后通過軟毛刷將表面脫落涂層刷去，通過3M膠帶對涂層固定，在1 s內(nèi)勻撕下膠帶，對附著力等級進行評定。

1.3.4"硬度測試

參照GB/T 6739—2006^[10-11]測試，具體過程為：在試驗臺水平放置硬度計與待測試樣，在放置時要注意鉛筆芯尖端與涂層接觸。以恒定速度推動硬度計2 cm，通過軟布與橡皮差對涂層表面進行擦拭，對涂層表面情況進行觀察，確定涂層硬度。

1.3.5"防腐性能測試

通過三電極曲線對涂層的極化曲線進行測試，進而表征涂層的防腐性能^[12-13]。

2"結(jié)果與討論

2.1"復合涂料結(jié)構(gòu)與官能團表征

2.1.1"微觀結(jié)構(gòu)表征

通過對涂層截面微觀形貌進行分析，進一步表征涂層與Q235碳鋼基材的結(jié)合強度，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，明顯增強了涂層與基材的結(jié)合緊密度^[14-15]。

2.1.2"官能團表征

圖2為紅外光譜圖譜。

由圖2可觀察到，在復合涂料中，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比，其位置并未發(fā)生明顯變化，這就說明在復合涂料中引入稀土改性石墨烯后，對環(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"附著力測試

圖3為附著力測試結(jié)果。

由圖3可知，2種涂料附著力均表現(xiàn)良好。這是因為環(huán)氧樹脂自身具備較好的附著力，制備成涂料以后，可在碳鋼表面進行有效附著。對比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，附著力達到0級，證明復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。這是因為復合涂層里面的稀土改性石墨烯具備一定的小分子效應，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，經(jīng)過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。再加上稀土改性石墨烯中的含氧官能團在氫鍵的作用下，與基底表面羥基基團相連，這就增加了2者間粘接力，使得復合涂層的附著力明顯優(yōu)于環(huán)氧涂層^[20]。

2.3"硬度測試

表1為硬度測試結(jié)果。

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

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，涂層可以有效保護碳鋼基體不被腐蝕。對比2種涂層可知，復合涂層較環(huán)氧涂層，其陽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。這是因為稀土改性石墨烯中的稀土氧化物具備一定的緩蝕作用，可提高涂層的阻隔性能，使其防腐效果明顯增加。復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"實際應用效果分析

將制備的復合涂料用于實際鋼結(jié)構(gòu)藝術景觀的設計，效果見圖5。

由圖5可知，復合涂料在鋼結(jié)構(gòu)藝術景觀中，表現(xiàn)出良好的實際應用效果。

3"結(jié)語

（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，其獨特的片層結(jié)構(gòu)能增強涂層與基體的結(jié)合力和防護性能;

（2）復合涂層在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)部起到強化相的作用，提升了復合涂層的鉛筆硬度;

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

（5）將復合涂料用于關中地區(qū)景觀設計，表現(xiàn)出良好的應用效果。

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收稿日期：2023-10-25；修回日期：2023-01-10

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

引文格式：賴"帆，李"岳.景觀藝術設計用稀土改性石墨烯防腐涂料的制備及應用[J].粘接，2024，51（2）：96-99.