石墨烯在水性防腐涂料中的应用

石墨烯是一种具有蜂巢晶格状平面薄膜结构的新型防腐纳米材料，是世上最薄的防腐蚀材料，可用于金属防护，其良好的阻隔性能和屏蔽性能，有“新材料之王”的美誉，有关石墨烯在防腐领域的研究吸引了世界各国研究者的关注。石墨烯涂料主要有纯石墨烯z涂料和石墨烯复合涂料。石墨烯涂料主要是指纯石墨烯在金属表面发挥防腐蚀、导电等作用的功能涂料。单纯使用石墨烯防腐蚀涂层具有很多局限性：对石墨烯品质要求高，石墨烯具有优异的导电性，所以一旦薄膜有轻微的缺陷便会加剧金属腐蚀，只能提供短时间的抗氧化腐蚀效能；对金属基底可选择的不多；难以大规模、大面积制备，难以产业化。石墨烯复合涂料主要是指石墨烯首先与聚合物树脂复合内，然后以复合材料制备功能涂料，石墨烯与附着力强、成膜性好的树脂结合可制备防腐性能优异的石墨烯复合涂料，可显著提升聚合物的性能。不同的石墨烯加入量及树脂种类,都会影响复合涂料的性能,特别是其电学性能和防腐性能，石墨烯复合涂料成为石墨烯的重要应用研究领域。

1、石墨烯属性复合防腐涂料

石墨烯超大的比表面积、优良的阻隔性、高的化学稳定性及良好的导电性等性能，其独特的晶体结构和优异的物理性能及其衍生物可引发聚合反应等特点，引入柔性链段，在改善树脂基材料性能方面具有巨大的潜力，对于防腐涂料综合性能具有较强的提升作用。目前，石墨烯复合防腐涂料的研究主要以溶剂型复合材料为主。溶剂型涂料中含有大量的有毒重金属和高VOCs，随着人们环保意识的不断提高，涂料的发展向着水性方向快速转变，开发低成本、高性能、绿色环保的新型石墨烯水性复合防腐涂料已成为重防腐蚀涂料的重要发展方向。

石墨烯具有的独特性能， 为改善水性涂料的致密性、阻隔性、机械性能以及防腐性能带来新的改进途径。

2、石墨烯防腐机理

石墨烯本身具有的独特结构性质，使其在物理防腐和电化学防腐方面都展现出一定的优势。

l 片层结构：石墨烯石墨烯的片层结构的堆叠作用，在涂层中可形成“迷宫式”屏蔽结构，能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散，提高涂层的物理阻隔性。

l 小尺寸效应：石墨烯可以填充到涂层的缺陷当中，减少涂层孔隙率，增强涂层致密性，形成良好的物理隔绝层；

l 疏水性：疏水性好，加入到涂料中可以阻隔水分子与金属基材的直接接触。

l 电化学防护：石墨烯的共轭结构使其具有良好导电性，同时，其片层结构亦能够保证涂层间有较好的电化学接触，形成导电网络，提供更佳的电化学保护。

3 、石墨烯在水性防腐领域中的应用难点

①解决石墨烯的选材及与水性涂料的配套问题。石墨烯的制备方法不同，其物理结构、化学性质也不尽相同，不仅石墨烯的选择多样，而且石墨烯与不同的树脂结合产生的作用也不同。涂料是一个复杂的配套体系，在制作过程中需要添加各种助剂填料等，这些添加部分的选择也是多样的，因此针对不同的腐蚀环境选择何种石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套体系是研究的重点。

 ②解决石墨烯在水性涂料中的用量问题

少量的石墨烯可以优化树脂组装结构，提高有序度，起到有效防腐作用，量太少起不到预想的作用，而过量石墨烯的加入会加速基体腐蚀。当石墨烯填料添加量过大时，石墨烯容易发生聚集，在涂层中出现大量的无序堆积，形成硬的团聚体成为涂料缺陷；另一方面会使涂料的黏度过高，影响涂层的成膜性和附着力，使得涂层产生大量的裂纹和缺陷，促进腐蚀的进行，因此需要对特定的涂料体系选择理想的石墨烯添加量。

③解决石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性问题

石墨烯的π-π结构和强的范德华力，自身容易发生团聚，而且团聚体难以再分开不能有效阻隔腐蚀介质；石墨烯本身具有既不亲水又不亲油的结构特征，与很多制备涂料的基材的润湿性差，在防腐涂料中很难分散，水、有机溶剂以及聚合物间不能形成稳定的化学键结合，导致其与树脂间的界面结合力微弱，相容性差，易发生相分离，严重影响涂层的性能。 一般的分散剂分子又较难与石墨烯形成较强的物理吸附作用，所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也将受限，使用化学改性，势必干扰或一定程度上破坏π-π的完整性，从而降低或失去本征态石墨烯的优异性能。石墨烯的分散还面临着实际生产操作性方面的难题。例如，4%浓度的水型石墨烯浆料已是膏态，不具有流动性，这为生产过程中物料传输、分散和化学反应造成了困难。

4 总结与展望

水性防腐涂料经石墨烯改性后，机械力学性能、化学稳定性及防腐性能等得到提升，国内已有不少相关研究工作和专利发表，发展势头较好。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为主的粉体，均可以用石墨烯进行替代改性，而石墨烯的添加量仅为0.5%-2%，便可取代30%-60%的防腐防锈填料，其降低成本、改善环境的意义，可见一斑。石墨烯水性复合防腐涂料的应用开发热潮持续升温，其进一步发展可期。

目前世界各国对防腐涂料的发展提出越来越多的要求，防腐涂料正向高性能化、功能化、绿色化的方向发展，加快石墨烯在水性防腐涂料中的应用研究，对于加快水性涂料的转型，推动环保型重防腐涂料的发展进程，具有深远的战略意义和广阔的发展前景。