关于石墨烯与石墨烯涂料在钢铁材料涂装上的应用

刘强

摘 要：我国铁路桥梁设施或者桥梁的附属设施中采用了大量的钢铁，传统的涂装材料有维修周期短、耐久性差和费用高等弊端。利用石墨烯的特性和不同的涂料性能要求，以石墨烯为填料，制造出不同性能的复合涂料，或者提升各种不同用途的涂料的性能，从而对不同环境要求的钢铁材料进行保护。同时，使用新型石墨烯涂料符合我国材料高性能、高效率和低污染的要求。

关键词：钢铁 涂料 石墨烯

中图分类号：TQ127 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2019）03-0-01

引言

随着我国高铁大规模的建设，铁路桥梁作为重要的基础设备，其中桥梁的很多设施是由钢铁组成的，如人行道托架、围吊篮托架、桥梁栏杆、钢铁支座等，这些设施在大气环境中很容易锈蚀，特别是在高度侵蚀性环境下。材料的腐锈破坏对设备安全的危害已越来越明显，传统的防腐工艺和材料，例如在构件表面涂油漆，以延长其的使用寿命，很费时也很费力。研制和采用分散效果好、稳定性高和成本低的新型防腐涂料将是新一代防腐涂料的追求目标[1]。石墨烯涂料是一种新型的油漆材料，具有高质量、低成本、低污染、低能耗、高性能和贴近市场等特点。石墨烯在涂料中应用首先是改性溶剂型涂料，并且可保留水性涂料安全环保的优势，又弥补了水性涂料防腐性能不足的短板，推动了水性涂料工业的发展[2]，给涂料工作者带来新的期待。因此，石墨烯防腐涂料已经成为石墨烯的重要应用研究领域，并且也是极具发展潜力的耐腐蚀材料。

一、石墨烯及其特性简介

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp?杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有尺寸小、导电好和硬度高等优点。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

1.耐腐蚀性能

将石墨烯添加到海洋重防腐蚀涂料中，能大幅减小传统环氧富锌涂料的锌含量，增强涂层的附着力和耐冲击等力学性能[3]，可制备出优于传统富锌类的防腐涂料。同时，有研究发现，添加石墨烯的环氧树脂涂料与空白样相比防腐效率提高了99.96%[4]，同时利用快速导电能力保护阳极，阻止铁锈的生成。

2.气体阻隔性能

均匀分散在聚合物基体中的石墨烯本身不具有气体阻隔性，但石墨烯聚合物的气体阻隔性增强。尤其是石墨烯与其他阻燃剂的协同作用更加改善了防火涂料的阻燃性能[5]，在防火涂料中添加微量氧化石墨烯，抑烟效果十分显著。

3.物理机械性能

石墨烯是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，石墨烯表面吸附力强，能在涂料干燥室形成致密网状结构，与基材间形成较强的附着力，表现出优异的力学性能。将石墨烯加入到涂料中，能增强涂膜的拉伸强度、断裂伸长率和耐磨性等物理性能。

二、石墨烯在涂料中的应用

因石墨烯具有高的比表面积、良好的导电性、优异的化学稳定性和导热性等特性，使其在涂料中的应用受到广泛关注，并由此展开了大量的研究工作。

1.石墨烯在环氧富锌防腐涂料中的应用

均匀分散的石墨烯可在涂层中形成物理隔绝层，起屏蔽作用。将其加入到环氧富锌防腐涂料中，能在涂料中形成网状的导电结构，提高锌粉的利用率，增强锌粉对钢板的阴极保护作用，达到更好的保护效果。在环氧富锌防腐涂料中，加入石墨烯代替底漆中的部分锌粉，制备成一种复合涂料，石墨烯与锌粉发挥了良好的协同作用，大大降低锌粉的用量，减少施工时的粉尘污染，通过对复合涂料的防腐机理分析后，结果表明，当石墨烯添加量为l%时，锌烯复合涂层具有最佳的防腐性能[6]。

2.石墨烯在水性防腐涂料中的应用

水性防腐涂料是一种绿色环保的涂料，由于涂料中有机挥发物含量较低，成为了防腐涂料中重要的发展方向，近年来在防腐涂料领域中的应用呈上升趋势。水性防腐涂料采用水为分散相，表面张力大，涂膜的成膜性一直不够理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，能够使涂料的抗腐蚀能力提高，从而极大地提高钢结构的耐腐蚀能力。并且，由于石墨烯自身的物理隔绝层和改变树脂的结构组装，达到有效改善涂料的结构缺陷，提升涂料的防渗透性能[7]。形成高性能的防腐体系，从而减少涂料的维修次数，减少污染和成本输出。

3.石墨烯在导电涂料中的应用

以水为溶剂的水性涂料，安全环保，使得水性电磁屏蔽建筑涂料的开发日益受到人们的青睐，尤其，填料是涂料电磁屏蔽性能的决定性因素。碳系填料相比金属系填料和复合系填料有密度小、耐腐蚀和导电性能稳定等优点。石墨烯填料作为碳系填料的一种材料，又有相比其他填料更好的物理、化学性能，如导电率优异、表面积大、抗拉强度高和稳定性强等。同时，近年来石墨烯作为新型导电填料的研究在发达国家取得的成果令人瞩目。有研究表明，以石墨烯作为导电填料，以丙烯酸树脂乳液为基料，按最佳配方制备的水性导电涂料，性能稳定，对频率在0.1-}-1000MHz内的电磁波的衰减都在30dB以上，对频率在0.1-}-10MHz内的电磁波的衰减在60dB以上，具有很好的电磁辐射屏蔽效果[8]。

4.石墨烯在建筑隔热涂料中的应用

大部分的钢结构常年暴漏在外，尤其烈日下导致钢结构的温度很高，采用隔热性能较好的涂料可以有效增加钢结构的生命周期。石墨烯具有较高的导热系数，石墨烯改性涂料可以很长时间在高温环境下進行工作，将石墨烯加入到涂料中，可提高涂料的耐冲击性、导热性与防腐性等[9]。同时有研究表明，六硼化镧与氧化石墨烯共混制备PVB透明隔热薄膜，氧化石墨烯的加入不仅令PVB薄膜在可见光区和近红外区的透过率都降低，而且提高了它的热稳定性[10]。说明氧化石墨烯应用于建筑隔热涂料中可有效降低建筑物的内部温度，并且不会污染环境具有积极的科研究性。具有太阳能反射、隔热、红外辐射等多重功能的新型环保节能涂料具有很高的社会价值和经济价值。

5.石墨烯在海洋防污涂料中的应用

我国既有工程和在建工程很多都在海洋环境中，目前市场上应用的海洋防污涂料大多具有毒性，不符合生态持续发展要求，石墨烯作为新兴的碳系材料具有杀菌性且自身无毒，对环境也没有污染[11]。由于石墨烯的这一特性，加入防污涂料中，使复合涂料具有良好的抑菌性外，还具有明显的杀菌效果，使涂层防污防腐性能得到极大的提升。

6.石墨烯在防火涂料中的应用

钢结构在火灾场景中主要由于受热软化而失去承载力，表层的防火涂料可提高钢结构的耐火极限。石墨烯具有优越的气体隔绝性能、吸附性能、超强的机械强度和热稳定性，同时，石墨烯的阻燃机理已得到深入的研究。研究表明，防火涂料中加入石墨烯可增强防火涂料的热稳定性和阻燃性能，同时与其他阻燃材料协同作用能够进一步提高气体阻隔性能，抵御发生火灾是易燃和毒性气体的散逸。同时，石墨烯在高温下具有增强和保持涂层表面完整性的能力，有助于延迟结构坍塌的发生[12]。

结语

石墨烯作为一种新型的功能纳米材料，具有导电性能卓越、化学稳定性优异、力学性能突出、导热性高等特点，因而在涂料中有着广泛的应用。石墨烯在防腐、导电、建筑隔热、海洋防污和阻燃等功能性涂料体系中均可大幅提高涂料的综合性能，展现出诱人的潜在应用前景，同时说明石墨烯与石墨烯涂料在钢结构涂装上有很强的实践理由。目前来看，虽说石墨烯在涂料领域的发展势头较好，然而却不能说“已入佳境”，还存在很多关键性技术问题需要解决，相信随着研究的持续深入和科技的快速发展，这些问题都会迎刃而解，石墨烯也必将推动涂料产业的新一轮转型升级。