石墨烯及其在防腐涂料中的應用研究

馬譽菀 趙健 楊安衛(wèi)

摘 要：石墨烯具有優(yōu)異的結構性能和廣泛的應用前景。它可用于電子工業(yè)、超級計算機、超級電容器和復合材料、涂料等領域。今后，石墨烯將引發(fā)半導體、光伏、能源、航天、國防、軍工等行業(yè)的革命性技術變革，成為國民經(jīng)濟增長的重要組成部分。

關鍵詞：石墨烯;防腐涂料;應用

0 前言

石墨烯因其化學穩(wěn)定性高、抗氧化性能強以及獨特的化學惰性而受到重視。此外，石墨烯對氧氣和水等腐蝕介質還具有極高的抗?jié)B透性，加入到防腐涂層中可以起到較好的物理屏障作用，在防腐涂料中用作防腐添加劑的研究已有一定進展。傳統(tǒng)防污涂料通常采用添加汞、銅、錫等重金屬氧化物（毒性物質）的方式，來抑制海洋微生物附著在船體表面，以達到防污的效果。

1 石墨烯概述

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有單原子層的石墨結構，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯有多種優(yōu)異性能，例如：①目前它是世界上最薄、最堅硬的納米材料，同時還具有很好的柔韌性;②它的吸收率只有2.3%，因此它幾乎是完全透明的;③它的導熱系數(shù)高達5300W/（m·K），比碳納米管和金剛石的都高;④常溫下它的電子遷移率超過15000cm2/（V·s），具有比銅或銀更低的電阻率;⑤它具有極大的比表面積（理論比表面積可達2600m2/g以上）。

石墨烯在高機械強度、高比表面積、高導電性等方面和其他材料相比具備極大優(yōu)勢，可用于生產(chǎn)性能優(yōu)異的復合材料，用于化學電源、超級電容器的電極材料等方面。石墨烯具有片狀結構，可與其他物質形成“面—面”接觸，使復合材料具備導電、導熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能，具有極大的硬度、穩(wěn)定的化學性質等優(yōu)異性能。總的來說，石墨烯是當今材料界中最薄、最堅硬、最導熱、最導電的材料。國際上給出的定義是，只有1～2層碳原子的納米薄片才能稱之為“石墨烯”，并且只有沒有任何缺陷的石墨烯才具備完美特性。而現(xiàn)在常見的、實際批量生產(chǎn)的“石墨烯”多為多層結構，且存在較多的結構缺陷，因此其性能自然大打折扣。使用天然石墨進行剝離是制作石墨烯材料的最基本技術路線。目前，制備石墨烯的方法有機械剝離法、溶劑剝離法、化學氣相沉積（CVD）法、真空外延生長法、微波膨化法等。不管采用什么制備方法，針對石墨烯產(chǎn)品的目標都是一致的，那就是石墨烯要盡可能具備薄、大、結晶好、結構缺陷少等特點，以便發(fā)揮石墨烯的最大優(yōu)勢。

2 石墨烯在防腐涂料領域中的應用研究

據(jù)統(tǒng)計，每年中國因腐蝕造成的經(jīng)濟損失占國內生產(chǎn)總值（GDP）的1.4%左右，約合人民幣8億元。全世界每年由于腐蝕造成的經(jīng)濟損失為7000億～10000億美元，約是臺風、地震、水災等其他自然災害造成的損失總和的6倍。因此，對防腐蝕的研究引起了各國重視，也成為世界各國科學家的研究重點，其中防腐涂料的研究更是重中之重。

石墨烯作為填料，能從物理防腐和電化學防腐兩個方面提升涂料的防腐性能，使新型的防腐涂料具有良好的韌性和耐腐蝕性、很強的附著力及很高的硬度。加入石墨烯的防腐涂料，在涂層上形成壁壘效應起到隔離的作用，通過陰極保護，達到涂層腐蝕被鈍化的效果，從而使涂層的耐腐蝕性能得到顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，以石墨烯為填料，填充到環(huán)氧樹脂/聚苯胺/聚氨酯（PU）等涂料中，可在很大程度上提升涂層的綜合防腐性能。與傳統(tǒng)的富鋅類防腐涂料相比，其性價比有所提升，每1t涂料可節(jié)省超過1000元。而重防腐涂料的底漆中含鋅量高達96%，采用石墨烯添加到重防腐涂料當中，可以大幅降低鋅的使用量，并且形成大量的隔離層，阻止外界對基體材料的侵蝕，使重防腐涂料的防腐性能得到明顯提高。

目前，中國重防腐涂料需求主要應用領域為石油化工、橋梁、船舶、集裝箱等，中國重防腐涂料消費量近180萬t/a，占世界重防腐涂料總消費量的40%以上。因此，添加石墨烯的重防腐涂料市場前景樂觀。2015年3月20日，中國石墨烯新型防腐涂料在江蘇成功研發(fā)，并已被應用于海上風電塔筒的防腐。烯鋅型風電設備重防腐涂料是以石墨烯為主體原料，與傳統(tǒng)重防腐涂料相比，其防腐效果提升4倍以上，且該涂料可薄膜涂裝，增加了涂布面積，提高了涂料使用率。新型石墨烯改性重防腐涂料，經(jīng)過數(shù)年技術攻關，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團隊于2017年成功研發(fā)。該涂料擁有自主知識產(chǎn)權，突破了石墨烯改性防腐涂料研發(fā)及應用中的技術瓶頸。該成果經(jīng)中國腐蝕與防護學會鑒定成功通過，其中關鍵技術指標鹽霧壽命超過6000h，處于國際領先水平。

3 結束語

隨著國家政策的不斷利好，市場需求的日益增加，石墨烯涂料的應用領域會越來越廣闊。與美國、歐盟、日本等發(fā)達國家和組織相比，中國對石墨烯的研究起步較晚。通過科研人員孜孜不倦的努力，無論是從反應機理的研究，還是從改性方法的研究，無論是從降低石墨烯產(chǎn)品成本，還是大規(guī)模提高石墨烯產(chǎn)量，相信在不久的將來，石墨烯涂料以其優(yōu)異的性能及性價比將在涂料領域廣泛應用。

參考文獻：

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