石墨烯在水性防腐涂料中的應用

石墨烯是一種具有蜂巢晶格狀平面薄膜結構的新型防腐納米材料，是世上最薄的防腐蝕材料，可用于金屬防護，其良好的阻隔性能和屏蔽性能，有“新材料之王”的美譽，有關石墨烯在防腐領域的研究吸引了世界各國研究者的關注。石墨烯涂料主要有純石墨烯z涂料和石墨烯復合涂料。石墨烯涂料主要是指純石墨烯在金屬表面發揮防腐蝕、導電等作用的功能涂料。單純使用石墨烯防腐蝕涂層具有很多局限性：對石墨烯品質要求高，石墨烯具有優異的導電性，所以一旦薄膜有輕微的缺陷便會加劇金屬腐蝕，只能提供短時間的抗氧化腐蝕效能；對金屬基底可選擇的不多；難以大規模、大面積制備，難以產業化。石墨烯復合涂料主要是指石墨烯首先與聚合物樹脂復合內，然后以復合材料制備功能涂料，石墨烯與附著力強、成膜性好的樹脂結合可制備防腐性能優異的石墨烯復合涂料，可顯著提升聚合物的性能。不同的石墨烯加入量及樹脂種類,都會影響復合涂料的性能,特別是其電學性能和防腐性能，石墨烯復合涂料成為石墨烯的重要應用研究領域。

1、石墨烯屬性復合防腐涂料

石墨烯超大的比表面積、優良的阻隔性、高的化學穩定性及良好的導電性等性能，其獨特的晶體結構和優異的物理性能及其衍生物可引發聚合反應等特點，引入柔性鏈段，在改善樹脂基材料性能方面具有巨大的潛力，對于防腐涂料綜合性能具有較強的提升作用。目前，石墨烯復合防腐涂料的研究主要以溶劑型復合材料為主。溶劑型涂料中含有大量的有毒重金屬和高VOCs，隨著人們環保意識的不斷提高，涂料的發展向著水性方向快速轉變，開發低成本、高性能、綠色環保的新型石墨烯水性復合防腐涂料已成為重防腐蝕涂料的重要發展方向。

石墨烯具有的獨特性能， 為改善水性涂料的致密性、阻隔性、機械性能以及防腐性能帶來新的改進途徑。

2、石墨烯防腐機理

石墨烯本身具有的獨特結構性質，使其在物理防腐和電化學防腐方面都展現出一定的優勢。

l 片層結構：石墨烯石墨烯的片層結構的堆疊作用，在涂層中可形成“迷宮式”屏蔽結構，能夠有效抑制腐蝕介質的浸潤、滲透和擴散，提高涂層的物理阻隔性。

l 小尺寸效應：石墨烯可以填充到涂層的缺陷當中，減少涂層孔隙率，增強涂層致密性，形成良好的物理隔絕層；

l 疏水性：疏水性好，加入到涂料中可以阻隔水分子與金屬基材的直接接觸。

l 電化學防護：石墨烯的共軛結構使其具有良好導電性，同時，其片層結構亦能夠保證涂層間有較好的電化學接觸，形成導電網絡，提供更佳的電化學保護。

3 、石墨烯在水性防腐領域中的應用難點

①解決石墨烯的選材及與水性涂料的配套問題。石墨烯的制備方法不同，其物理結構、化學性質也不盡相同，不僅石墨烯的選擇多樣，而且石墨烯與不同的樹脂結合產生的作用也不同。涂料是一個復雜的配套體系，在制作過程中需要添加各種助劑填料等，這些添加部分的選擇也是多樣的，因此針對不同的腐蝕環境選擇何種石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套體系是研究的重點。

 ②解決石墨烯在水性涂料中的用量問題

少量的石墨烯可以優化樹脂組裝結構，提高有序度，起到有效防腐作用，量太少起不到預想的作用，而過量石墨烯的加入會加速基體腐蝕。當石墨烯填料添加量過大時，石墨烯容易發生聚集，在涂層中出現大量的無序堆積，形成硬的團聚體成為涂料缺陷；另一方面會使涂料的黏度過高，影響涂層的成膜性和附著力，使得涂層產生大量的裂紋和缺陷，促進腐蝕的進行，因此需要對特定的涂料體系選擇理想的石墨烯添加量。

③解決石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性問題

石墨烯的π-π結構和強的范德華力，自身容易發生團聚，而且團聚體難以再分開不能有效阻隔腐蝕介質；石墨烯本身具有既不親水又不親油的結構特征，與很多制備涂料的基材的潤濕性差，在防腐涂料中很難分散，水、有機溶劑以及聚合物間不能形成穩定的化學鍵結合，導致其與樹脂間的界面結合力微弱，相容性差，易發生相分離，嚴重影響涂層的性能。 一般的分散劑分子又較難與石墨烯形成較強的物理吸附作用，所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也將受限，使用化學改性，勢必干擾或一定程度上破壞π-π的完整性，從而降低或失去本征態石墨烯的優異性能。石墨烯的分散還面臨著實際生產操作性方面的難題。例如，4%濃度的水型石墨烯漿料已是膏態，不具有流動性，這為生產過程中物料傳輸、分散和化學反應造成了困難。

4 總結與展望

水性防腐涂料經石墨烯改性后，機械力學性能、化學穩定性及防腐性能等得到提升，國內已有不少相關研究工作和專利發表，發展勢頭較好。而在石墨烯防腐涂料的配方中，主要防腐原理是以屏蔽作用為主的粉體，均可以用石墨烯進行替代改性，而石墨烯的添加量僅為0.5%-2%，便可取代30%-60%的防腐防銹填料，其降低成本、改善環境的意義，可見一斑。石墨烯水性復合防腐涂料的應用開發熱潮持續升溫，其進一步發展可期。

目前世界各國對防腐涂料的發展提出越來越多的要求，防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發展，加快石墨烯在水性防腐涂料中的應用研究，對于加快水性涂料的轉型，推動環保型重防腐涂料的發展進程，具有深遠的戰略意義和廣闊的發展前景。