CN115746704B - 一种防腐性能优异的钢桥面复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，属于桥面铺装材料技术领域，包括从下往上依次设置的钢桥面板、防水防腐层、防水粘结层、环氧沥青混合料下面层、防水粘结层、环氧沥青混合料上面层，其中所述防水防腐层包括A组分和B组分；A组分包括：水性乳化沥青、水性环氧树脂、填料、改性氧化石墨烯、助剂和水；B组分包括固化剂和水。本发明的防水防腐涂层，通过以水性乳化沥青与水性环氧树脂作为涂料基质，能够使涂料兼具防水和防腐功能；通过在涂料中加入改性氧化石墨烯，能有效阻碍腐蚀介质对基体的渗透，达到防腐效果；使防水防腐涂层具备优异的防水、防腐以及耐高温性能，从而提升钢板面复合结构的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于桥面铺装材料技术领域，具体地，涉及一种防腐性能优异的钢桥面复合结构。
背景技术
传统的钢桥面铺装结构为“钢桥面板+防腐层+防水粘结层+环氧沥青混合料下面层+粘结层+环氧沥青混合料上面层”，通常用环氧富锌漆作为防腐层，环氧树脂粘结剂作为粘结层。在轮载作用下，钢桥面板局部变形较大，使钢桥面板和铺装防水粘结层脱空，造成桥面损坏。通过对现有大量钢桥面铺装的破坏原因分析，已验证铺装层与钢桥面板之间的良好结合是桥面铺装成败的关键，它直接影响到钢桥面铺装层的耐久性。钢材的最大弱点之一就是容易锈蚀，由于其铺装在河流、海洋之上，潮湿的环境使得钢桥面板更容易锈蚀。为防止钢桥面板锈蚀，在铺装时首先应该对其进行防腐铺装。环氧富锌漆是由环氧树脂为基料配以聚酰胺、锌粉、助剂而成。涂层中锌含量高，具有阴极保护作用和优异的防锈性能。环氧富锌涂层作为钢桥面的防腐蚀涂层，其优点是结合强度高；涂装后的养护较简单；与其后续铺装的防水层具有良好的连接性能。缺点是：耐高温性能较低；水或者空气进入后易导致结构破坏。因此，需要一种同时兼具防水、防腐以及耐高温的涂层对钢桥面进行涂布防护。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种防腐性能优异的钢桥面复合结构。
本发明的防水防腐涂层，通过以水性乳化沥青与水性环氧树脂作为涂料基质，能够使涂料兼具防水和防腐功能，通过在涂料中加入复配型填料，不仅起到填料增强效果，也能提升涂层的耐酸碱和防锈功能；通过在涂料中加入改性氧化石墨烯，在涂层中均匀分散的片层状氧化石墨烯，能有效阻碍腐蚀介质对基体的渗透，达到防腐效果；此外，氧化石墨烯表面接枝改性剂分子链，改性剂分子含有的功能基团不仅能有效提升防腐效果，而且能一定程度提升涂层的耐高温性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，包括从下往上依次设置的钢桥面板、防水防腐层、防水粘结层、环氧沥青混合料下面层、防水粘结层、环氧沥青混合料上面层；
首先对钢桥面板进行喷砂除锈，使粗糙度达80-120μm、清洁度达到Sa2.5，在4小时内涂布防水防腐涂料，涂布量为0.2kg/m2，形成防水防腐层，再按0.4kg/m2涂布防水粘结层，待防水粘结层固化后(1-2d)铺装环氧沥青混合料，形成环氧沥青混合料下面层，然后以0.6kg/m2的涂布量铺装防水粘结层，待固化后(1-2d)铺装环氧沥青混合料，形成环氧沥青混合料上面层。
其中，所述防水防腐层包括A组分和B组分；
A组分包括如下重量份的原料：水性乳化沥青30-40份、水性环氧树脂30-40份、填料20-26份、改性氧化石墨烯3-4份、润湿剂0.2-0.3份、消泡剂0.3-0.4份、防闪锈剂0.2-0.3份、成膜助剂3-4份、防沉剂0.2-0.3份、水5-7份；
B组分包括固化剂和水，二者的质量之比为3:2；
将A组分中的水、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂、成膜助剂、防沉剂加入调漆罐中，以500-600r/min分散10min，再加入填料和改性氧化石墨烯，提高转速至2500r/min分散30min，最后加入水性乳化沥青和水性环氧树脂，以700-800r/min分散10min，获得A组分；
使用时，将A组分与B组分按照质量比10:1进行混合，控制分散机转速在700-800r/min分散6-8min，获得防水防腐层用涂料。
进一步地，水性环氧树脂采用双酚A型水性环氧树脂；双酚A型树脂的结构中存在极性的羟基和醚键，可以提高对金属基材的附着力；同时具有刚性的苯环和柔性的醚键交替排布结构，因此所制涂层的机械性能较强，具有很好的硬度和柔韧性；此外双酚A型水性环氧乳液在成膜后，体积收缩率低，涂层的致密性好，抗介质腐蚀和渗透能力强；
通过以水性乳化沥青与水性环氧树脂作为涂料基质，能够使涂料兼具防水和防腐功能。
进一步地，填料为滑石粉、氧化铁红与磷酸锌按照质量比10:1:1混合而成；滑石粉具有优异的化学稳定性和片层结构，起到很好的填料增强效果；氧化铁红具有耐碱性的特点，磷酸锌可以提升涂层的耐酸性，此外磷酸锌除了起化学防锈作用，同时也具备物理防锈的功能，同时使用磷酸锌与氧化铁红，能够获得综合的防腐效果。
进一步地，改性氧化石墨烯通过如下步骤制备：
S1、将对苯二胺硫酸盐、2-氨基苯酚、盐酸溶液(浓度1mol/L)加入圆底三口烧瓶中，并置于-5℃冰盐浴中搅拌溶解，采用恒压滴液漏斗将过硫酸铵溶解液缓慢滴加至三口烧瓶中，保持体系温度在-5至0℃之间，待滴加完毕后继续搅拌反应1h，反应结束后依次用预冷至0℃的盐酸溶液(浓度1mol/L)、0℃的氨水(质量分数10％)及去离子水对产物依次进行过滤清洗，直至洗涤液呈中性，将滤饼置于50℃真空干燥箱中干燥24h，得到中间体；对苯二胺硫酸盐、2-氨基苯酚、盐酸溶液、过硫酸铵溶解液的用量之比为0.012mol:0.02mol:100mL:50mL；过硫酸铵溶解液为过硫酸铵与1mol/L的盐酸溶液按照用量比0.02mol:50mL混合溶解而成；
在过硫酸铵的作用下，控制2-氨基苯酚与对苯二胺的摩尔比接近2:1(对苯二胺略过量)，使对苯二胺与2-氨基苯酚发生如下化学反应，生成中间体，具体反应过程如下所示：
S2、将DIC(N,N-二异丙基碳二亚胺)和二氯甲烷加入圆底烧瓶中，溶解后，在N2保护下，再将2-氯-5-氰基苯甲酸、中间体和三乙胺加入烧瓶，并在室温以及N2保护下搅拌反应3h，反应结束后，减压蒸馏除去大部分溶剂二氯甲烷，过硅胶柱(以石油醚/乙酸乙酯为洗脱液)，旋蒸，再于50℃真空干燥箱中干燥24h，获得改性剂；2-氯-5-氰基苯甲酸、中间体、三乙胺、DIC和二氯甲烷的用量之比为0.01mol:3.21g:2.02g:1.26g:150mL；
2-氯-5-氰基苯甲酸与中间体发生如下化学反应，通过控制二者的摩尔比接近1:1，中间体一端的-NH2参与到反应，另一端的-NH2裸露，为后续反应奠定反应位点，反应过程如下所示：
S3、将氧化石墨烯与DMF(N,N-二甲基甲酰胺)混合后，30℃下超声分散1h，获得分散液，将改性剂和DCC(二环己基碳二亚胺)加入到带有冷凝回流装置的三口烧瓶中，随后加入分散液，90℃油浴下磁力搅拌反应24h，反应结束后真空抽滤，依次用无水乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后将滤饼放入真空干燥箱中干燥24h，得到改性氧化石墨烯；氧化石墨烯、DMF、改性剂、DCC的用量之比为2g:150mL:28g:6g；
在DCC作用下，氧化石墨烯表面的-COOH与改性剂分子上的-NH2发生化学反应，使改性剂分子化学接枝于氧化石墨烯表面，获得改性氧化石墨烯，反应过程如下所示：
氧化石墨烯作为一种具有单层片状结构的碳纳米材料，具有高比表面积，良好的导电、导热性、优异的化学稳定性、突出的力学性能等，不仅能提高导电性或耐盐雾性能，还能提升涂料的耐磨性以及吸收紫外光的能力，同时，氧化石墨烯还能对金属起到钝化作用，有效提高耐腐蚀性能；通过对氧化石墨烯进行接枝改性，接枝的化合物含有酚羟基、-CO-NH-基，与基料(环氧树脂、乳化沥青)能够发生化学反应或形成氢键作用，从而能够促进氧化石墨烯在涂层中的均匀分散，在涂层中均匀分散的片层状氧化石墨烯，能有效阻碍腐蚀介质对基体的渗透，达到防腐效果；此外，氧化石墨烯表面接枝的改性剂分子链，其分子结构中含有2-氨基苯酚结构，同时2-氨基苯酚三聚体与金属表面接触时，氮原子、芳基以及分子结构中含有单电子和离域π电子的其他基团通过配位键与铁原子或离子形成稳定的配合物，提高了涂层与金属基体的连接密度，同时在腐蚀介质中，2-氨基苯酚结构可以从金属的阳极溶解中获得一些电子，然后发生还原反应，使得Fe2+和Fe3+可以被氧化成致密的钝化膜，进一步提升防腐效果；另外，接枝的改性剂分子结构中除含有苯环外，还含有-CN和卤素基团(-Cl)，具有耐高温效果，能一定程度提升涂层的耐高温性能。
本发明的有益效果：
本发明的防水防腐涂层，通过以水性乳化沥青与水性环氧树脂作为涂料基质，能够使涂料兼具防水和防腐功能，通过在涂料中加入复配型填料，不仅起到填料增强效果，也能提升涂层的耐酸碱和防锈功能；通过在涂料中加入改性氧化石墨烯，在涂层中均匀分散的片层状氧化石墨烯，能有效阻碍腐蚀介质对基体的渗透，达到防腐效果；此外，氧化石墨烯表面接枝改性剂分子链，改性剂分子含有的功能基团不仅能有效提升防腐效果，而且能一定程度提升涂层的耐高温性能；综合，获得的防水防腐涂层，具备优异的防水、防腐以及耐高温性能，从而提升钢板面复合结构的整体性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明钢桥面复合结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，包括从下往上依次设置的钢桥面板1、防水防腐层2、防水粘结层3、环氧沥青混合料下面层4、防水粘结层5、环氧沥青混合料上面层6；
首先对钢桥面板进行喷砂除锈，使粗糙度达80-120μm、清洁度达到Sa2.5，在4小时内涂布防水防腐涂层，涂布量为0.2kg/m2，待固化后再按0.4kg/m2涂布防水粘结层，待防水粘结层固化后(1-2天)铺装环氧沥青混合料，形成环氧沥青混合料下面层4，然后以0.6kg/m2的涂布量铺装防水粘结层，待固化后(1-2天)铺装环氧沥青混合料，形成环氧沥青混合料上面层6。
实施例1
制备改性氧化石墨烯：
S1、将0.012mol对苯二胺硫酸盐、0.02mol的2-氨基苯酚、100mL盐酸溶液(浓度1mol/L)加入圆底三口烧瓶中，并置于-5℃冰盐浴中搅拌溶解，采用恒压滴液漏斗将50mL的过硫酸铵溶解液缓慢滴加至三口烧瓶中，保持体系温度在-5至0℃之间，待滴加完毕后继续搅拌反应1h，反应结束后依次用预冷至0℃的盐酸溶液(浓度1mol/L)、0℃的氨水(质量分数10％)及去离子水对产物依次进行过滤清洗，直至洗涤液呈中性，将滤饼置于50℃真空干燥箱中干燥24h，得到中间体；过硫酸铵溶解液为过硫酸铵与1mol/L的盐酸溶液按照用量比0.02mol:50mL混合溶解而成；
S2、将1.26g的DIC(N,N-二异丙基碳二亚胺)和150mL二氯甲烷加入圆底烧瓶中，溶解后，在N2保护下，再将0.01mol的2-氯-5-氰基苯甲酸、3.21g中间体和2.02g三乙胺加入烧瓶，并在室温以及N2保护下搅拌反应3h，反应结束后，减压蒸馏除去大部分溶剂二氯甲烷，过硅胶柱(以石油醚/乙酸乙酯为洗脱液)，旋蒸，再于50℃真空干燥箱中干燥24h，获得改性剂；
S3、将2g氧化石墨烯与150mL的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)混合后，30℃下超声分散1h，获得分散液，将28g改性剂和6g的DCC(二环己基碳二亚胺)加入到带有冷凝回流装置的三口烧瓶中，随后加入分散液，90℃油浴下磁力搅拌反应24h，反应结束后真空抽滤，依次用无水乙醇和去离子水洗涤3次，最后将滤饼放入真空干燥箱中干燥24h，得到改性氧化石墨烯。
实施例2
制备改性氧化石墨烯：
S1、将0.024mol对苯二胺硫酸盐、0.04mol的2-氨基苯酚、200mL盐酸溶液(浓度1mol/L)加入圆底三口烧瓶中，并置于-5℃冰盐浴中搅拌溶解，采用恒压滴液漏斗将100mL的过硫酸铵溶解液缓慢滴加至三口烧瓶中，保持体系温度在-5至0℃之间，待滴加完毕后继续搅拌反应1h，反应结束后依次用预冷至0℃的盐酸溶液(浓度1mol/L)、0℃的氨水(质量分数10％)及去离子水对产物依次进行过滤清洗，直至洗涤液呈中性，将滤饼置于50℃真空干燥箱中干燥24h，得到中间体；过硫酸铵溶解液为过硫酸铵与1mol/L的盐酸溶液按照用量比0.02mol:50mL混合溶解而成；
S2、将2.52g的DIC(N,N-二异丙基碳二亚胺)和300mL二氯甲烷加入圆底烧瓶中，溶解后，在N2保护下，再将0.02mol的2-氯-5-氰基苯甲酸、6.42g中间体和4.04g三乙胺加入烧瓶，并在室温以及N2保护下搅拌反应3h，反应结束后，减压蒸馏除去大部分溶剂二氯甲烷，过硅胶柱(以石油醚/乙酸乙酯为洗脱液)，旋蒸，再于50℃真空干燥箱中干燥24h，获得改性剂；
S3、将4g氧化石墨烯与300mL的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)混合后，30℃下超声分散1h，获得分散液，将56g改性剂和12g的DCC(二环己基碳二亚胺)加入到带有冷凝回流装置的三口烧瓶中，随后加入分散液，90℃油浴下磁力搅拌反应24h，反应结束后真空抽滤，依次用无水乙醇和去离子水洗涤4次，最后将滤饼放入真空干燥箱中干燥24h，得到改性氧化石墨烯。
实施例3
制备防水防腐层用涂料，包括A组分和B组分；
A组分包括如下重量份的原料：水性乳化沥青30g、双酚A型水性环氧树脂30g、填料20g、实施例1制得的改性氧化石墨烯3g、润湿剂0.2g、消泡剂0.3g、防闪锈剂0.2g、成膜助剂3g、防沉剂0.2g、水5g；
上述填料为滑石粉、氧化铁红与磷酸锌按照质量比10:1:1混合而成；
B组分包括固化剂5.51g和水3.68g；
将A组分中的水、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂、成膜助剂、防沉剂加入调漆罐中，以500r/min分散10min，再加入填料和改性氧化石墨烯，提高转速至2500r/min分散30min，最后加入水性乳化沥青和双酚A型水性环氧树脂，以700r/min分散10min，获得A组分；
使用时，将A组分与B组分进行混合，控制分散机转速在700r/min分散6min，获得防水防腐层用涂料。
实施例4
制备防水防腐层用涂料，包括A组分和B组分；
A组分包括如下重量份的原料：水性乳化沥青35g、双酚A型水性环氧树脂35g、填料23g、实施例2制得的改性氧化石墨烯3.5g、润湿剂0.25g、消泡剂0.35g、防闪锈剂0.25g、成膜助剂3.5g、防沉剂0.25g、水6g；
上述填料为滑石粉、氧化铁红与磷酸锌按照质量比10:1:1混合而成；
B组分包括固化剂6.43g和水4.28g；
将A组分中的水、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂、成膜助剂、防沉剂加入调漆罐中，以550r/min分散10min，再加入填料和改性氧化石墨烯，提高转速至2500r/min分散30min，最后加入水性乳化沥青和双酚A型水性环氧树脂，以750r/min分散10min，获得A组分；
使用时，将A组分与B组分进行混合，控制分散机转速在750r/min分散7min，获得防水防腐层用涂料。
实施例5
制备防水防腐层用涂料，包括A组分和B组分；
A组分包括如下重量份的原料：水性乳化沥青40g、双酚A型水性环氧树脂40g、填料26g、实施例1制得的改性氧化石墨烯4g、润湿剂0.3g、消泡剂0.4g、防闪锈剂0.3g、成膜助剂4g、防沉剂0.3g、水7g；
上述填料为滑石粉、氧化铁红与磷酸锌按照质量比10:1:1混合而成；
B组分包括固化剂7.34g和水4.89g；
将A组分中的水、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂、成膜助剂、防沉剂加入调漆罐中，以600r/min分散10min，再加入填料和改性氧化石墨烯，提高转速至2500r/min分散30min，最后加入水性乳化沥青和双酚A型水性环氧树脂，以800r/min分散10min，获得A组分；
使用时，将A组分与B组分进行混合，控制分散机转速在800r/min分散8min，获得防水防腐层用涂料。
对比例1
将实施例3中的改性氧化石墨烯换成普通氧化石墨烯，其余原料及制备过程不变。
对比例2
将实施例3中的改性氧化石墨烯原料去掉，其余原料及制备过程不变。
对实施例3-5和对比例1-2获得的涂料进行涂布，取80目的砂纸，对尺寸符合规定要求的马口铁板进行打磨，打磨完成后用无水乙醇擦拭，待表面干燥后，将涂料均匀地涂布在马口铁表面，在常温下干燥7天，获得涂层，进行如下性能测试：
涂层硬度：按GB/T 6379-2006对涂层的硬度进行测试；
涂层附着力：按照GB/T 9286-1998对涂层附着力进行测试；
耐中性盐雾测试：按照GB/T 1771-2007对涂层耐中性盐雾性能进行测试；
耐酸碱性测试：按照GB/T 9274-1998对涂层耐酸碱性能进行测试；
耐水性测试：按照GB/T 1733-1993对涂层耐水性进行测试；
测得的结果如下表所示：
由上表数据可知，本发明获得的防水防腐涂层具备良好的附着力，具备优异的耐酸碱、防水和防腐性能；结合对比例1和对比例2的数据可知，氧化石墨烯经过改性后，能够促进在涂料中的均匀分散，提高防腐效果。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，包括从下往上依次设置的钢桥面板、防水防腐层、防水粘结层、环氧沥青混合料下面层、防水粘结层、环氧沥青混合料上面层，其特征在于，所述防水防腐层包括A组分和B组分；
A组分包括如下重量份的原料：水性乳化沥青30-40份、水性环氧树脂30-40份、填料20-26份、改性氧化石墨烯3-4份、润湿剂0.2-0.3份、消泡剂0.3-0.4份、防闪锈剂0.2-0.3份、成膜助剂3-4份、防沉剂0.2-0.3份、水5-7份；
B组分包括固化剂和水，二者的质量之比为3:2；
其中，所述改性氧化石墨烯通过如下步骤制备：
S1、将对苯二胺硫酸盐、2-氨基苯酚、盐酸溶液加入圆底三口烧瓶中，并置于-5℃冰盐浴中搅拌溶解，采用恒压滴液漏斗将过硫酸铵溶解液缓慢滴加至三口烧瓶中，保持体系温度在-5至0℃之间，待滴加完毕后继续搅拌反应1h，反应结束后依次用预冷至0℃的盐酸溶液、0℃的氨水及去离子水对产物依次进行过滤清洗，直至洗涤液呈中性，将滤饼置于50℃真空干燥箱中干燥24h，得到中间体；
S2、将DIC和二氯甲烷加入圆底烧瓶中，溶解后，在N2保护下，再将2-氯-5-氰基苯甲酸、中间体和三乙胺加入烧瓶，并在室温以及N2保护下搅拌反应3h，反应结束后，减压蒸馏除去大部分溶剂二氯甲烷，过硅胶柱，旋蒸，再于50℃真空干燥箱中干燥24h，获得改性剂；
S3、将氧化石墨烯与DMF混合后，30℃下超声分散1h，获得分散液，将改性剂和DCC加入到带有冷凝回流装置的三口烧瓶中，随后加入分散液，90℃油浴下磁力搅拌反应24h，反应结束后真空抽滤，依次用无水乙醇和去离子水洗涤3-4次，最后将滤饼放入真空干燥箱中干燥24h，得到改性氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，将A组分中的水、润湿剂、消泡剂、防闪锈剂、成膜助剂、防沉剂加入调漆罐中，以500-600r/min分散10min，再加入填料和改性氧化石墨烯，提高转速至2500r/min分散30min，最后加入水性乳化沥青和水性环氧树脂，以700-800r/min分散10min，获得A组分；
使用时，将A组分与B组分进行混合，控制分散机转速在700-800r/min分散6-8min，获得防水防腐层用涂料。
3.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，所述水性环氧树脂采用双酚A型水性环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，所述填料为滑石粉、氧化铁红与磷酸锌按照质量比10:1:1混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，步骤S1中对苯二胺硫酸盐、2-氨基苯酚、盐酸溶液、过硫酸铵溶解液的用量之比为0.012mol:0.02mol:100mL:50mL；过硫酸铵溶解液为过硫酸铵与1mol/L的盐酸溶液按照用量比0.02mol:50mL混合溶解而成。
6.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，步骤S2中2-氯-5-氰基苯甲酸、中间体、三乙胺、DIC和二氯甲烷的用量之比为0.01mol:3.21g:2.02g:1.26g:150mL。
7.根据权利要求1所述的一种防腐性能优异的钢桥面复合结构，其特征在于，步骤S3中氧化石墨烯、DMF、改性剂、DCC的用量之比为2g:150mL:28g:6g。
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