鲁海娟
（山东省青岛市即墨区水利局，山东 青岛 266200）
摘要：为提升聚氨酯涂层在高盐环境下对混凝土的防护性能，通过添加石墨烯氧化物（GO）实现改性，分析其对涂层防渗、耐盐腐蚀及力学性能的影响。首先，对 GO 进行表面改性以改善其在聚氨酯基体中的分散性，然后按0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和3.0%不同添加量的GO制备改性聚氨酯涂层。采用渗透测试、氯离子渗透试验、盐冻循环试验、结构表征等多种方法对各组涂层进行测试与分析。结果显示，1.5% GO添加量时，改性聚氨酯涂层的渗透系数较未改性聚氨酯涂层降低 47.8%，氯离子渗透量减少 35%，并在盐冻循环试验中表现出更高的质量保持率。此外，力学测试表明1.5% GO涂层附着力提高68%，硬度显著提升。因此，1.5% GO添加量下的改性聚氨酯涂层在高盐环境下具有较优异的防护性能。
关键词：石墨烯氧化物（GO）；聚氨酯涂层；高盐环境；耐盐腐蚀性能
1 前言
混凝土结构广泛用于坝体、渠道和防护墙等基础设施，其长期耐久性对水利工程安全和经济效益至关重要［1］。然而，高盐环境（如沿海地区和盐渍地区）中的氯离子等腐蚀性介质会加速混凝土中钢筋的腐蚀［2］，导致结构的劣化和开裂，削弱混凝土的耐久性和安全性［3］。因此，开发高效的防护措施，以延缓腐蚀过程、提升混凝土结构的耐久性，已成为当前亟待解决的问题。
聚氨酯涂层因其良好的附着力、优异的防水性能及耐化学腐蚀性能，在混凝土结构的防护中得到广泛应用［4］。然而，传统的聚氨酯涂层在高盐环境中存在一定的局限性，如长期暴露于腐蚀性环境时会导致涂层致密性降低、耐盐腐蚀性能下降［5］，从而影响防护效果。近年来，研究人员致力于通过纳米材料改性聚氨酯涂层，以增强其致密性、力学性能及耐腐蚀能力［6］。纳米材料中的石墨烯氧化物（GO）因其高比表面积和丰富的含氧官能团，展现出优异的改性潜力。GO 不仅可以增强聚氨酯基体的阻隔性能，还可以通过形成强氢键，提高涂层的力学强度［7］。然而，关于如何有效均匀分散 GO、优化其在涂层中的性能发挥等方面研究仍显不足。
此研究拟设置不同的 GO 添加量实验，研究其对聚氨酯涂层防渗透性能、耐盐腐蚀性能、力学性能的影响，以明确 GO 的改性效果和最佳添加量。
2 材料与方法
2.1 材料与仪器
材料：聚醚多元醇（PU）、异氰酸酯、GO、硅烷偶联剂、二丁基二月桂酸锡、聚醚改性聚硅氧烷分散剂、丙烯酸酯改性聚硅氧烷流平剂、二甲基甲酰胺、氯化钠等。
仪器：超声波分散仪、磁力搅拌器、烘箱、扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）、渗透测试仪、氯离子渗透测试设备、硬度计、拉拔试验机、冷冻室、电子天平、涂膜器等。
2.2 改性聚氨酯涂层制备
2.2.1 纳米材料表面改性处理
（1）称取 5 g GO，放入 250 mL 烧杯中。
（2）加入 100 mL 去离子水至烧杯中，将 GO 分散在水中。
（3）将烧杯置于超声波分散仪中，超声处理 30 min。 （4）按 GO 质量的 2%，即 0.1 g γ-氨丙基三乙氧基硅烷，缓慢加入到 GO 分散液中。
（5）继续对混合液进行超声处理 1 h，随后将分散液转移至干燥箱中，设置温度 60 ℃，干燥 12 h，以获得改性后的 GO 粉末。
2.2.2 涂料配制
（1）称取 100 g 聚醚多元醇。
（2）按质量比添加 0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 和 3.0% 的 5 个添加量组。以 1.0% GO 组为例，需称取 1 g 改性 GO。
（3）将改性 GO 加入多元醇中，使用磁力搅拌器搅拌 20 min，再进行 30 min 的超声分散。
（4）称取 30 g 异氰酸酯，缓慢加入到多元醇混合液中，持续搅拌 10 min。
（5）分别加入 0.5 g 二丁基二月桂酸锡、1.0 g 聚醚改性聚硅氧烷、0.5 g 丙烯酸酯改性聚硅氧烷，搅拌 10 min 后得到改性聚氨酯涂层溶液。
2.2.3 涂覆与固化
（1）将混凝土试件清洗干净，制成尺寸为 10 cm×10 cm×2 cm 的试件。（2）使用涂膜器将改性聚氨酯涂层均匀涂覆于混凝土试件表面，保持涂层厚度约200 μm。（3）将涂覆后的试件放置在室温环境下固化 24 h，随后将试件放入 60 ℃烘箱继续干燥 12 h。
2.3 实验方法
（1）防渗性能。①将固化后的涂层混凝土试件裁切成 10 cm×10 cm×2 cm 的标准尺寸；②将试件安装在渗透测试仪上，设定水压为 0.1 MPa 并保持恒定，进行24 h的渗透测试，每隔2 h记录渗透量的变化。
（2）氯离子渗透性能。①将试件在 3.5% NaCl 溶液中浸泡 24 h，随后将试件放入氯离子渗透测试设备的测试槽中，一侧注入 3.5% NaCl 溶液，另一侧注入去离子水；②施加 60 V 电压，保持 6 h，记录通过的电荷量。
（3）盐冻循环试验。①配制质量浓度为 5% NaCl 溶液，将涂层试件在溶液中浸泡 24 h，之后在-20 ℃下冷冻 24 h，再在 20 ℃解冻 24 h，完成 1个 盐冻循环；②每完成10次循环，称量试件；③重复盐冻循环50次。
（4）力学性能。使用拉拔试验机进行测试，施加拉力至涂层与基体剥离，记录附着力。在每个试件上取5个位置测量硬度，并求取平均值。
3 结果与分析
3.1 微观结构
图 1 为不同 GO 添加量下改性聚氨酯涂层的 SEM 表征。图 1（a）~（f）分别代表未改性、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0% GO 添加量下聚氨酯涂层的 SEM表征结果。
由图 1 可知，未改性聚氨酯涂层的表面显得较为粗糙，存在明显的孔隙和不均匀区域。在 0.5% GO 添加量下，涂层表面的孔隙有所减少。随着 GO 添加量增加到 1.5%，涂层的致密性进一步提高，表现出更加均匀、平滑的表面结构，说明此时GO在基体中的分散性较好，有效填充了基体中的孔隙［8］，并显著改善了涂层的微观结构。而当GO添加量达到 2.0%、3.0%时，尽管涂层的致密性仍然较好，但局部区域可以观察到 GO 团聚的现象，表明高添加量的 GO 难以继续均匀分散在聚氨酯基体中，可能导致涂层的防护性能趋于平缓或受到影响。
3.2 红外分析
图 2 为不同 GO 添加量下改性聚氨酯涂层的 FTIR分析结果。
从图2可知，在未改性聚氨酯涂层中，1 700 cm-1 处有明显的 C=O 伸缩振动峰，表明聚氨酯基体中的酯基存在较多。随着 GO添加量的增加，C=O伸缩振动峰逐渐减弱，尤其是在 1.5% GO 时减弱最为显著，说明改性后的涂层中酯基含量减少，这可能 与 GO 在基体中形成了交联结构有关［9］。同时，1 200 cm-1 附近的 C—O 伸缩振动峰逐渐增强，表明 GO的加入促使涂层内形成了更多的化学键，提升了交联密度。
在3 200~3 500 cm-1 范围内，未改性聚氨酯涂层表现出较强的—OH 伸缩振动峰。而在 GO 改性聚氨酯涂层中，随着 GO 添加量增加，—OH 吸收峰逐渐减弱，说明 GO 的加入显著降低了基体中的自由羟基，增强了涂层的交联程度。
3.3 材料性能
3.3.1 防渗性能
不同 GO添加量下涂层材料的防渗性能测试结果见表1。
由表 1 可知，随着 GO 添加量的增加，改性聚氨酯涂层的防渗性能显著提升，这主要归因于 GO 的 良好分散性及其与基体间的相互作用。未改性聚氨酯涂层的渗透系数较高，为2.85×10-12 m/s，表明其在阻止水分渗透方面的性能较弱。随着GO添加量的增加，渗透系数逐渐降低，特别是在1.5% GO添加量时，渗透系数降低至1.48×10-12 m/s，表现出显著防渗性能的增强，在此浓度下既能保证良好的分散性，又能大幅度提升防渗性能。在2.0%和3.0% GO 添加量时，虽然渗透系数继续略有降低，但降低幅度不再明显，这是因为过多的 GO 无法完全均匀分散于聚氨酯基体中[10]，导致局部区域团聚而影响了涂层的均匀性。
3.3.2 耐盐腐蚀性能
不同 GO添加量下改性聚氨酯涂层的氯离子渗透量、盐冻循环后质量损失率实验结果见表2。
（1）氯离子渗透性能。由表2可知，未改性聚氨酯涂层的氯离子渗透量为4 250 C，表明其在阻止氯离子渗透方面存在明显不足［11］。随着GO添加量的增加，氯离子渗透量显著降低。在 1.5% GO 添加量时，氯离子渗透量降低至 1 950 C，说明涂层的抗氯离子渗透能力有了极大提升。而在 2.0% 和 3.0% GO 添加量时，渗透量进一步降低，但幅度趋于平缓，分别为1 800 C和1 750 C。
（2）盐冻循环试验。由表2可知，未改性聚氨酯涂层在经过 50 个盐冻循环后质量损失率达到 8.3%，表现出较低的耐盐冻性能。随着 GO 添加量的增加，涂层的质量损失率逐渐降低。在 1.5% GO添加量时，质量损失率降至3.5%。当GO添加量进一步增加至2.0%和3.0%时，降低幅度不再明显， 表明 GO 添加量超过一定范围后，涂层的耐盐冻性能改善效果趋于饱和［12］。这可能与GO在基体中的团聚有关，过量的GO不易均匀分散，导致局部区域的团聚影响了涂层的结构均匀性，进而限制了涂层性能的进一步提升。
3.3.3 力学性能与耐久性
不同 GO 添加量对聚氨酯涂层力学性能（附着力和硬度）、在紫外老化和湿热老化条件下的硬度 保持情况测试结果见表3。
（1）力学性能。由表3可知，未改性聚氨酯涂层的附着力为 1.8 MPa，硬度为 40，说明其与混凝土基体之间的结合强度较低，硬度也未达到理想值。随着 GO 添加量的增加，涂层的附着力逐步提高。在 1.5 %GO 添加量时，附着力达到了 3.2 MPa，硬度也提高到 58。然而，当添加量增加至 2.0% 和 3.0% 时，附着力和硬度的增幅开始减小，分别为 3.3 MPa 和 59，表明过多的 GO 可能导致其在基体中的分散不均匀，进而影响力学性能的进一步提升。
（2）耐久性。由表3可知，未改性聚氨酯涂层在经历 500 h的紫外老化后，硬度下降了 30%，而湿热老化后硬度下降了 27%，表明其在长期老化条件下的耐久性较差。相比之下，GO 改性聚氨酯涂层在添加 1.5% GO 时表现出最佳的耐久性，紫外老化后硬度仅下降 8%，湿热老化后硬度下降 10%。表明 GO 的加入显著提升了涂层的耐候性和耐湿性能，增强了涂层对恶劣环境的适应能力。而在 2.0% 和 3.0% GO 添加量时，硬度保持率的改善效果趋于平缓，这同样可能是由于 GO 过量添加导致的局部团聚，影响了涂层的均匀性和耐久性。
3.3.4 综合性能
图3为改性聚氨酯涂层的综合性能雷达图。由 图3可知，在未改性聚氨酯涂层中，各项性能指标均较低。而随着 GO 添加量的逐步增加，改性聚氨酯涂层在各项性能上均有显著提升，特别是在 1.5% GO 添加量时，防渗、耐盐腐蚀、力学性能和耐久性方面均表现出显著的综合优势。当GO添加量增加 至2.0%和3.0%时，各项性能的提升幅度明显减缓，这可能与GO在基体中的分散受限及发生团聚有关，局部的GO团聚可能会削弱其对基体的增强作用。
4 结论
在1.5% GO添加量时，聚氨酯涂层的防渗、耐盐腐蚀和力学性能均达到最佳效果，其中渗透系数降低约47.8%，氯离子渗透量减少35%，盐冻循环试验的质量损失率降至 3.5%，附着力提高 68%，硬度也显著增加。SEM 分析表明，1.5% GO 组的涂层表面更为致密，孔隙明显减少，FTIR 显示其交联结构增强。然而，随着GO添加量继续增至2%和3%，涂层的性能提升趋于平缓甚至稍有下降，可能是因为 GO发生团聚，降低了分散均匀性和结构致密性。
来源：《盐科学与化工》2025年9月第54卷第9期
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