电力接地网用导电防腐涂料的制备及性能研究

2022-09-22鞠海涛

山东电力高等专科学校学报 2022年4期

张磊，鞠海涛

（潍坊盛科检验检测有限公司，山东潍坊 261000）

0 引言

电力接地网是保护电力系统安全的重要设施[1]。目前我国电力接地网主要采用碳钢或镀锌钢接地极，并深埋地下。运行中接地网受土壤腐蚀和杂散电流腐蚀，接地电阻升高，接地性能恶化，安全事故时有发生，因此须重视接地网腐蚀防护[2−3]。电力接地网用导电防腐涂料电阻率低于土壤，与被保护金属电阻率相近，且防腐蚀性能好，可长期保护接地网，已成为我国接地网腐蚀防护研究的热点之一[4−5]。目前，接地网用导电防腐涂料主要存在两个问题：石墨、炭黑等导电填料导电性和分散性差，大量掺杂会导致涂料力学和耐腐蚀性能恶化；涂层常有针孔、破损等缺陷，易构成大阴极、小阳极的腐蚀电池，加速接地网局部腐蚀。这制约了接地网用导电防腐涂料的应用。本文针对上述问题，研究制备出具有掺量少、耐腐蚀、分散性好、体积电阻率低和抗划伤性能优异的纳米石墨薄片/聚苯胺导电防腐涂料。

1 导电防腐涂料的制备与性能测试

1.1 原料参数

天然鳞片石墨的粒径为160 μm，碳质量分数为88.2%；氢氟酸溶液纯度为分析纯，质量分数w=40%；盐酸纯度为分析纯，质量分数w=38%；环氧树脂E51为工业级；硅烷偶联剂KH560纯度为分析纯，质量分数w=98%；酚醛改性胺固化剂701B纯度为分析纯；重铬酸钾、浓硫酸、二甲苯、正丁醇、苯胺、过硫酸铵纯度均为分析纯，质量分数w=99%。

1.2 导电防腐涂料的制备

1.2.1 纳米石墨薄片的制备

先将鳞片石墨在30 ml氢氟酸溶液中纯化2 h，然后水洗至中性，进行干燥。采用硫酸氧化插层法，在30℃条件下反应1 h，制得可膨胀石墨。将其置于微波炉中，在1 180 W条件下膨胀40 s，得到蠕虫状膨胀石墨[6]。然后将膨胀石墨按上述方法进行二次插层膨胀，制得纳米石墨薄片。

1.2.2 盐酸掺杂态聚苯胺的制备

在100 ml盐酸中，加入苯胺，控制反应温度为0～5℃。滴加过硫酸铵水溶液，继续反应4 h，抽滤，分别用稀盐酸、去离子水洗至滤液pH值为6左右，得到盐酸掺杂态聚苯胺[7]。

1.2.3 纳米石墨薄片/环氧树脂高导电涂料的制备

将NanoG和KH560混合，加入无水乙醇，搅拌24 h后，过滤干燥。将NanoG添加到EP中，加入稀释剂，搅拌至分散均匀，制得NanoG/EP高导电涂料[8]。

1.2.4 聚苯胺/纳米石墨薄片复合导电防腐涂料的制备

将PANI添加到NanoG/EP涂料中，加入固化剂，搅拌均匀，即得NanoG/PANI/EP导电防腐涂料。

1.3 导电防腐涂料漆膜制备

采用四面湿膜制备器，按照GB/T 1727—92《漆膜一般制备法》，制备厚度为150 μm的湿膜，采用数字式浮层测厚仪，按照GB/T 1764—79《漆膜厚度测定法》，测得干膜平均厚度为（125±5）μm。

1.4 导电防腐涂料性能测试

采用场发射扫描电子显微镜分析NanoG形貌及其在涂料中的分散状态，采用傅里叶变换红外光谱仪分析盐酸掺杂态聚苯胺结构。

采用四探针测试仪按照GB/T 2439—2001《硫化橡胶或热塑性橡胶导电性能和耗散性能电阻率的测定》测量体积电阻率。采用盐雾试验机按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》进行抗划伤试验，在涂层上划2条宽0.1 mm十字交叉的划痕，曝露72 h，观察表面锈蚀。采用电化学工作站进行塔菲尔极化曲线测试，以涂覆涂料的马口铁试样为工作电极，采用5 mV/s的扫描速率，以自腐蚀电位为基点从−1.5 V扫到0 V，得到涂层的塔菲尔极化曲线。将涂料涂覆于镀锌扁钢上，待其干燥后将其置于盛有饱和盐水的绝缘容器中，对试样进行雷电流峰值为11 kA、波形为8 μs/20 μs的模拟雷电冲击试验，检查冲击后涂层是否起泡、开裂或脱落。

2 性能分析

2.1 纳米石墨薄片SEM分析

图1为纳米石墨薄片制备过程中不同样品的SEM图。由图（a）可见，鳞片石墨成层状结构，层与层之间存在一定缝隙。由图（b）可见，膨胀石墨呈蠕虫状，这是因为鳞片石墨经氧化插层后，在微波作用下，层间化合物受热分解生成气体，气体膨胀产生的推动力使石墨片层膨胀而形成蠕虫状结构，但由于层间范德华力的存在使石墨片层大部分压结在一起。图（c）为二次氧化膨胀后NanoG的SEM图，石墨层呈透明的薄片状。这是因为一次插层膨胀后，石墨片层间距增大，使得二次插层时，插层剂能够充分进入石墨片层间，插层化合物受热充分膨胀，片层间范德华力被破坏，形成了薄片状NanoG，粒径约为16.9 μm。

图1 不同样品的SEM图

2.2 聚苯胺红外分析

图2为盐酸掺杂态PANI在4000～500 cm−1范围内的红外光谱。由图2可知，PANI在817 cm−1处的峰为C—H键面外弯曲振动峰，在1 079 cm−1处的峰为醌环C—H键面内弯曲振动峰，在1 157 cm−1处的峰为骨架特征振动吸收峰，在1 296 cm−1处的峰为C—N伸缩振动峰，在1 496 cm−1处的峰为苯式结构N—B—N振动吸收峰，和文献[9−10]基本一致，证明合成了盐酸掺杂态PANI。

图2 盐酸掺杂态PANI红外光谱

2.3 纳米石墨薄片添加量对环氧树脂导电性能的影响

纳米石墨薄片添加量对涂层导电性能的影响如图3所示。由图3可知，NanoG能显著降低涂料的体积电阻率，涂料体积电阻率随NanoG含量的增加先降低后升高，当m（NanoG）∶m（EP）=7.5%时，涂层体积电阻率达到最小值3.38 Ω·cm。当m（NanoG）∶m（EP）＜7.5%时，随着NanoG含量的增加，涂层的体积电阻率逐渐下降。这是因为NanoG导电性能优异，随着含量的增加，其在EP中逐渐形成了完整的导电网络，使涂料体积电阻率逐渐下降。当m（NanoG）∶m（EP）>7.5%时，涂层的体积电阻率回升。这是因为继续增加NanoG含量，NanoG无法均匀分散，产生团聚，使涂料体积电阻率升高。

图3 纳米石墨薄片添加量对涂层导电性能的影响

图4为纳米石墨薄片在涂层中的分散SEM图。图4（a）为m（NanoG）∶m（EP）=7.5%时的SEM图。由图可见，NanoG均匀分散在涂料中，形成了完整的导电通路。图4（b）为m（NanoG）∶m（EP）=9.0%时的SEM图，由图可见，由于NanoG添加量过大，团聚趋势增大，限制了NanoG的均匀分散，涂料体积电阻率上升。

图4 纳米石墨薄片在涂层中的分散SEM图

2.4 PANI添加量对涂层导电性能的影响

取m（NanoG）∶m（EP）=7.5%的导电涂料，添加导电PANI，PANI添加量对涂层导电性能的影响如图5所示。由图可知，随着PANI添加量的增加，涂层的体积电阻率先下降后上升。当m（PANI）∶m（EP）=1%时，涂层导电性能最佳，体积电阻率为1.88 Ω·cm，相对于无PANI的涂层体积电阻率下降了44%。这是因为当m（PANI）∶m（EP）<1%时，随着导电填料PANI含量的增加，涂层中逐渐形成连续的导电通路，涂层体积电阻率下降；当m（PANI）∶m（EP）>1%时，PANI粒子产生团聚，导致分散程度下降，涂层体积电阻率上升[11]。

2.5 PANI添加量对涂层抗划伤性能的影响

PANI添加量对涂层抗划伤性能的影响如图6所示。由图可知，当m（PANI）∶m（EP）<1%时，随着PANI添加量的增加，涂层的抗划伤性能逐渐提高；当m（PANI）∶m（EP）>1%时，涂层的抗划伤性能迅速下降。这是因为PANI具有优异的氧化还原特性，能在涂层和金属界面上不断进行氧化还原反应，使金属基材表面形成一层致密的氧化膜，从而保护金属基材免于因划伤而腐蚀[12−13]。当m（PANI）∶m（EP）<1%时，PANI在涂层中分布稀疏，无法形成完整的致密氧化膜；当m（PANI）∶m（EP）=1% 时，PANI在涂层中均匀分布，使金属基材表面形成了一层致密的氧化膜，提高涂层的防腐性能；当m（PANI）∶m（EP）>1%时，PANI团聚导致其无法均匀分散，涂层表面形成孔洞，腐蚀介质直接作用于基材表面，造成点蚀，降低涂层的防腐性能。

图5 PANI添加量对涂层导电性能的影响

图6 PANI添加量对涂层抗划伤性能的影响

2.6 涂层塔菲尔极化曲线

不同PANI添加量的涂层极化曲线如图7所示。曲线（a）为不含PANI的NanoG/EP涂层极化曲线，涂层的腐蚀电位为−1.075 V。曲线（b）为m（PANI）∶m（EP）=0.5%时NanoG/PANI/EP涂层的极化曲线，涂层的腐蚀电位为−1.056 V。曲线（c）为m（PANI）∶m（EP）=1.0%时NanoG/PANI/EP涂层的极化曲线，涂层的腐蚀电位为−0.663 V。曲线（d）为m（PANI）∶m（EP）=2.0%时NanoG/PANI/EP涂层的极化曲线，涂层的腐蚀电位为−0.948 V。由图7可见，PANI的加入可提高涂层的腐蚀电位，说明PANI能够改善涂层的防腐性能，当m（PANI）∶m（EP）=1.0%时，涂层的腐蚀电位最高，涂层防腐性能最佳。一方面PANI填充到涂层缺陷处，提高了涂层的致密性，腐蚀介质无法通过缺陷处扩散到金属基材表面；另一方面PANI均匀分散在涂层中，在金属基材表面形成了完整的钝化膜，提高了涂层的防腐性能。