石墨烯防腐涂料研究進展（1）

腐蝕一直是制約各國經(jīng)濟發(fā)展的重大問題之一，全球每年有2.5萬億美元左右的直接經(jīng)濟損失是因腐蝕造成的，腐蝕也對人類的健康和安全帶來了威脅，因此研究開發(fā)防腐蝕材料對經(jīng)濟和社會具有深遠的意義，其中應用防腐涂料是解決腐蝕問題的主要方式之一。防腐涂料是指由底漆、中漆和面漆組成的具有防腐蝕功能的涂料，依據(jù)涂料應用領域的不同，可以分為常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料。一般常見的防腐涂料有環(huán)氧樹脂涂料、醇酸樹脂涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸樹脂涂料、富鋅涂料等。

石墨烯自2004年被成功從石墨中剝離以來，其獨特優(yōu)異的性質(zhì)就引起各界包括涂料領域的極大的關注。石墨烯作為單層碳納米材料，可以制備成涂層或者作為填料用于防腐涂料中，其良好的導電性能和片狀搭接阻隔性能，可以對氧和腐蝕介質(zhì)起到屏蔽作用，降低了防腐涂層的滲透性能，從而提高涂層的防腐蝕性能。石墨烯防腐涂料相對于其他防腐涂料而言，在導電性、熱穩(wěn)定性、力學性能、抗菌性能等方面優(yōu)勢更為明顯。

本文對新材料石墨烯的結構、性能和制備方法進行了簡要介紹，并對石墨烯防腐涂料的防腐機理以及不同種類石墨烯防腐涂料的研究進展進行綜述，探討了石墨烯防腐涂料的實際應用情況、存在的問題，并對未來發(fā)展方向進行展望。

1 石墨烯

1.1 石墨烯結構

石墨烯 （Graphene） 是一種由碳原子以sp?雜化軌道組成的呈蜂巢晶格狀六角型的平面二維薄膜，其厚度只有一個原子層厚度 （0.35 nm），C-C鍵長為0.142 nm。碳原子有四個價電子，如圖1b所示，石墨烯晶格結構中，碳原子的2s軌道上有兩個電子，其中一個電子躍遷到2pz軌道上，另一個電子與2px和2py上的電子通過sp2雜化形成三個σ鍵 （圖a藍），相鄰兩個鍵之間的夾角為120°，未成鍵的2pz軌道上的電子為公共，與sp?雜化平面垂直并形成弱π鍵 （圖a紫），每個碳原子2pz軌道上的電子以肩并肩的方式形成一個離域π鍵，貫穿整個石墨烯。

1.2 石墨烯性能

石墨烯具有優(yōu)良的導電性和導熱性，電子遷移率高達200000 cm2·V -1·S-1，是光速的1/300，且遠遠大于電子在一般導體中的運動速度；導熱系數(shù)高達5300 W/ （m·K），比常見金屬，如Au、Ag、Cu等高10倍以上。石墨烯是目前已知的晶體材料中強度和硬度最高的晶體材料，其楊氏模量高達1100 GPa，強度極限為42 N/m2，斷裂強度高達130 GPa。另外，石墨烯具有優(yōu)異的疏水、疏油性能，高達2630 m2/g的理論比表面積，良好的韌性和屏蔽性。上述獨特的性能使得石墨烯在防腐領域有著廣泛的應用前景。

1.3 石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法如表1所示。電弧放電法、化學剝離法、高溫熱還原法也可以用于制備石墨烯，但是這些方法制備出的石墨烯層數(shù)和質(zhì)量還有待進一步地深入探索。

1.4 石墨烯分散技術改性

石墨烯片層間存在著強烈的π-π鍵相互作用，它會使石墨烯在聚合物基體中發(fā)生團聚，造成基體出現(xiàn)縫隙，從而失去阻隔水、氧等腐蝕因子的功效。因此利用一定方法，使石墨烯能夠良好的分散在涂層中，對于石墨烯應用于防腐領域有著至關重要的意義。

常用的促進分散的方法是對石墨稀進行功能化改性，通過在石墨烯上接枝其他成分和結構來使石墨烯良好的分散。功能化石墨烯不僅可以保持其原有基本性能，而且可以賦予石墨烯新的特性 （光、磁性、疏水等），并可以根據(jù)涂層應用需求對石墨烯進行針對性的改進[13]。黃國家等[14]根據(jù)石墨烯和氧化石墨烯的化學鍵或官能團等本征結構，將石墨烯或氧化石墨烯的表面功能化歸納為非共價鍵結合改性、共價鍵結合改性和元素摻雜改性三種；其中非共價鍵結合改性又可具體分為：π-π鍵相互作用、氫鍵作用、離子鍵作用和靜電作用；共價鍵結合改性包括：碳骨架功能化，官能團羥基、羧基和環(huán)氧基的功能化；元素摻雜功能化改性中的元素包括N、B、P等不同元素。

非共價鍵功能化改性是指利用石墨烯的超大比表面積特點，將其氫鍵、π-π鍵等與其它化合物進行非共價鍵的結合，其優(yōu)點是在滿足改善石墨烯的分散性的基礎上，可以保持石墨烯或氧化石墨烯本體結構不被破壞，保持了石墨烯固有的性質(zhì)，但存在不穩(wěn)定、作用力弱的缺點，有時需要添加穩(wěn)定劑或進行超聲分散。共價鍵功能化改性是指石墨烯或氧化石墨烯表面的活性雙鍵或其表面含氧基團與引入的基團發(fā)生化學反應生成共價鍵。石墨烯的骨架是穩(wěn)定的多環(huán)芳烴結構，但骨架的邊緣或缺陷部位具有較高的反應活性。氧化石墨烯表面含有大量的含氧基團 （羥基、羧基、環(huán)氧基），通過這些基團發(fā)生常見的化學反應，進一步改性氧化石墨烯。目前對于石墨烯分散性的表征手段尚不嚴謹，且費時費力，所以如何解決石墨烯分散性問題仍是今后研究的熱點和難點。

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