石墨烯改性聚氨酯性能及其在排沙洞闸门面板的应用

苏京明，李贵勋，牛金亮，刘东，郑军

（1.新疆华电和田水电有限责任公司，新疆 和田 848000；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

1 研究背景

在高泥沙含量的河流上，水力机械及水工建筑物承受着含沙水流的磨蚀，遭受到了不同程度的破坏，每年需要投入相当的人力和物力对其进行维修和防护，个别破坏严重的地方，可能对电站、大坝安全运行造成威胁[1]。聚氨酯（PU）作为一种高分子材料，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐水性等优点，并且其分子结构可调控，在生活、医疗、工业等领域被广泛应用[2]。鉴于其良好耐磨性，尤其抗空蚀性，聚氨酯被逐渐用于水力机械磨蚀防护，对其耐磨蚀性能研究也越来越多。结合目前研究及应用效果，在某些恶劣情况下聚氨酯不能满足使用要求，需对其进行进一步的改性[3-5]。本文通过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学性能，并将石墨烯改性聚氨酯材料在水库排沙洞工作闸门面板进行了应用，取得了良好的防护效果。

2 试验部分

2.1 试样制备

将改性石墨烯与聚氨酯预聚体通过高速搅拌进行混合，加热后与扩链剂混合，搅拌均匀，将混合液浇注至预热好的模具；然后在120℃下固化2 h、90℃下固化6 h，裁切成标准试样，做相关性能测试。

100份聚氨酯中分别加入0.01份、0.03份、0.05份、0.10份改性石墨烯，分别命名为PU0.01、PU0.03、PU0.05、PU0.10，具体配方如表1所示。

表1 石墨烯改性聚氨酯复合材料配比

2.2 性能测试

拉伸强度、断裂伸长率测试：按照GB/T 528-2009测试，采用电子万能试验机（UTM2203型，深圳三思纵横）测试，拉伸速度500 mm/min。

撕裂强度测试：试样裁成直角型，按照GB/T 529-2008测试，试验速度为500 mm/min。

耐冲磨性能测试：采用新型抗冲耐磨试验系统，如图1所示。以不同粒径的石英砂为磨料，冲磨角度30°，冲磨时间5 min，试件表面砂速约26 m/s。

断面形态观察：试样经过撕裂强度测试后，取其断裂面较为平整部分，表面喷金处理后利用扫描电子显微镜（FEI Quanta FEG 250，美国）观察。

3 结果与讨论

3.1 石墨烯用量对聚氨酯力学性能的影响

表2 聚氨酯/石墨烯复合材料力学性能

从表2中可以看出，随着改性石墨烯用量的增加，聚氨酯复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度等参数有所变化。随着改性石墨烯用量增加，复合材料的拉伸强度先增加，当加入改性石墨烯0.03份时，复合材料的拉伸强度最大，由聚氨酯的34.5 MPa增加到42.1 MPa，增幅达到22.0 %，此时复合材料的断裂伸长率、撕裂强度也达到最大，分别达到620 %、15.9 kN/m。继续增加改性石墨烯用量，复合材料的拉伸强度下降。复合材料撕裂强度随改性石墨烯用量变化趋势与拉伸强度的变化趋势一致。

3.2 石墨烯用量对聚氨酯耐冲磨性能的影响

经耐冲磨试验后，聚氨酯及石墨烯改性聚氨酯复合材料质量损失率如表3所示。可以看出，聚氨酯材料经过冲磨试验后，损失质量1.24 g，当加入0.03份改性石墨烯后，质量损失量为0.78 g，质量损失率最小。从测试的磨蚀深度可以看出，在改性石墨烯用量为0.03份时，磨蚀深度为0.10 mm，在5个试样中磨蚀深度最小。综合来说，当加入改性石墨烯0.03份时，聚氨酯/石墨烯复合材料的耐冲磨性能最优。

表3 聚氨酯/石墨烯复合材料耐冲磨性能

3.3 聚氨酯复合材料断面形貌分析

PU、PU0.03、PU0.10三种材料经撕裂强度测试后，利用SEM来观察石墨烯在试样断面的分散情况。如图2所示，PU断面非常规整，存在许多不规则的条纹，研究人员普遍认为该条纹是PU材料的硬段结晶区。从图b中，可以看出改性石墨烯的用量为0.03份时，石墨烯片层均匀地分散在聚氨酯基体中，石墨烯与聚氨酯界面模糊，相容性较好。从图c中发现，当石墨烯的用量达到0.10份时，石墨烯片层存在部分团聚。团聚现象的产生一定程度上导致PU0.10的力学强度相对PU0.03的有所降低。

图2 PU及其复合材料断面SEM图片

3.4 石墨烯改性聚氨酯材料在排沙洞闸门面板应用

新疆某水电站为梯级工程，承担发电和调峰发电后的反调节，工程于2013年开工，2014年底导流兼泄洪冲沙洞过水。经过两年运行，2016年底导流兼泄洪冲沙洞出现磨蚀破坏现象，其中弧形工作闸门面板磨蚀破坏较为严重，闸门底缘水封螺栓孔下缘面板均冲磨蚀破坏，部分面板已冲磨贯穿，螺栓头脱，如图3所示。

图3 闸门面板磨蚀破坏情况

根据现场磨蚀情况，选择PU0.03复合材料作为原料，采用真空浇注工艺对该区域进行防护。防护后效果如图4所示。

图4 闸门面板磨蚀防护情况

经过一年运行，石墨烯改性聚氨酯涂层基本上完好，未出现磨蚀破坏，通过测量其硬度，与刚制备出的聚氨酯纳米涂层硬度相当，未出现衰减情况，经过运行后的涂层状态如图5所示，PU0.03复合材料制备的耐磨涂层起到了较好的磨蚀防护效果。

4 结论

图5 运行后闸门面板磨蚀防护效果

通过在聚氨酯中添加石墨烯，聚氨酯复合材料性能较纯聚氨酯材料有明显提高。当添加0.03份石墨烯时，拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度分别达到42.1 MPa、620 %、15.9 kN/m，抗冲磨性能也较纯聚氨酯材料有所提高。石墨烯改性聚氨酯复合材料在排沙洞工作闸井面板应用，运行一年后，涂层基本完好，抗磨蚀效果显著，有望进一步推广应用。