石墨烯及其在防腐涂料中的应用研究

马誉菀 赵健 杨安卫

摘 要：石墨烯具有优异的结构性能和广泛的应用前景。它可用于电子工业、超级计算机、超级电容器和复合材料、涂料等领域。今后，石墨烯将引发半导体、光伏、能源、航天、国防、军工等行业的革命性技术变革，成为国民经济增长的重要组成部分。

关键词：石墨烯;防腐涂料;应用

0 前言

石墨烯因其化学稳定性高、抗氧化性能强以及独特的化学惰性而受到重视。此外，石墨烯对氧气和水等腐蚀介质还具有极高的抗渗透性，加入到防腐涂层中可以起到较好的物理屏障作用，在防腐涂料中用作防腐添加剂的研究已有一定进展。传统防污涂料通常采用添加汞、铜、锡等重金属氧化物（毒性物质）的方式，来抑制海洋微生物附着在船体表面，以达到防污的效果。

1 石墨烯概述

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有单原子层的石墨结构，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯有多种优异性能，例如：①目前它是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，同时还具有很好的柔韧性;②它的吸收率只有2.3%，因此它几乎是完全透明的;③它的导热系数高达5300W/（m·K），比碳纳米管和金刚石的都高;④常温下它的电子迁移率超过15000cm2/（V·s），具有比铜或银更低的电阻率;⑤它具有极大的比表面积（理论比表面积可达2600m2/g以上）。

石墨烯在高机械强度、高比表面积、高导电性等方面和其他材料相比具备极大优势，可用于生产性能优异的复合材料，用于化学电源、超级电容器的电极材料等方面。石墨烯具有片状结构，可与其他物质形成“面—面”接触，使复合材料具备导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能，具有极大的硬度、稳定的化学性质等优异性能。总的来说，石墨烯是当今材料界中最薄、最坚硬、最导热、最导电的材料。国际上给出的定义是，只有1～2层碳原子的纳米薄片才能称之为“石墨烯”，并且只有没有任何缺陷的石墨烯才具备完美特性。而现在常见的、实际批量生产的“石墨烯”多为多层结构，且存在较多的结构缺陷，因此其性能自然大打折扣。使用天然石墨进行剥离是制作石墨烯材料的最基本技术路线。目前，制备石墨烯的方法有机械剥离法、溶剂剥离法、化学气相沉积（CVD）法、真空外延生长法、微波膨化法等。不管采用什么制备方法，针对石墨烯产品的目标都是一致的，那就是石墨烯要尽可能具备薄、大、结晶好、结构缺陷少等特点，以便发挥石墨烯的最大优势。

2 石墨烯在防腐涂料领域中的应用研究

据统计，每年中国因腐蚀造成的经济损失占国内生产总值（GDP）的1.4%左右，约合人民币8亿元。全世界每年由于腐蚀造成的经济损失为7000亿～10000亿美元，约是台风、地震、水灾等其他自然灾害造成的损失总和的6倍。因此，对防腐蚀的研究引起了各国重视，也成为世界各国科学家的研究重点，其中防腐涂料的研究更是重中之重。

石墨烯作为填料，能从物理防腐和电化学防腐两个方面提升涂料的防腐性能，使新型的防腐涂料具有良好的韧性和耐腐蚀性、很强的附着力及很高的硬度。加入石墨烯的防腐涂料，在涂层上形成壁垒效应起到隔离的作用，通过阴极保护，达到涂层腐蚀被钝化的效果，从而使涂层的耐腐蚀性能得到显著提升。研究发现，以石墨烯为填料，填充到环氧树脂/聚苯胺/聚氨酯（PU）等涂料中，可在很大程度上提升涂层的综合防腐性能。与传统的富锌类防腐涂料相比，其性价比有所提升，每1t涂料可节省超过1000元。而重防腐涂料的底漆中含锌量高达96%，采用石墨烯添加到重防腐涂料当中，可以大幅降低锌的使用量，并且形成大量的隔离层，阻止外界对基体材料的侵蚀，使重防腐涂料的防腐性能得到明显提高。

目前，中国重防腐涂料需求主要应用领域为石油化工、桥梁、船舶、集装箱等，中国重防腐涂料消费量近180万t/a，占世界重防腐涂料总消费量的40%以上。因此，添加石墨烯的重防腐涂料市场前景乐观。2015年3月20日，中国石墨烯新型防腐涂料在江苏成功研发，并已被应用于海上风电塔筒的防腐。烯锌型风电设备重防腐涂料是以石墨烯为主体原料，与传统重防腐涂料相比，其防腐效果提升4倍以上，且该涂料可薄膜涂装，增加了涂布面积，提高了涂料使用率。新型石墨烯改性重防腐涂料，经过数年技术攻关，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员和薛群基院士团队于2017年成功研發。该涂料拥有自主知识产权，突破了石墨烯改性防腐涂料研发及应用中的技术瓶颈。该成果经中国腐蚀与防护学会鉴定成功通过，其中关键技术指标盐雾寿命超过6000h，处于国际领先水平。

3 结束语

随着国家政策的不断利好，市场需求的日益增加，石墨烯涂料的应用领域会越来越广阔。与美国、欧盟、日本等发达国家和组织相比，中国对石墨烯的研究起步较晚。通过科研人员孜孜不倦的努力，无论是从反应机理的研究，还是从改性方法的研究，无论是从降低石墨烯产品成本，还是大规模提高石墨烯产量，相信在不久的将来，石墨烯涂料以其优异的性能及性价比将在涂料领域广泛应用。

参考文献：

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[2]蓝席建，周福根，冯伟东.石墨烯导电海洋重防腐蚀涂料的研制[J].上海涂料，2014，52（12）：17.

[3]王海霞.海上风电防腐：石墨烯涂料来了[N].中国能源报，201411-17（23）.