石墨烯在水性防腐涂料中的應(yīng)用

石墨烯是一種具有蜂巢晶格狀平面薄膜結(jié)構(gòu)的新型防腐納米材料，是世上最薄的防腐蝕材料，可用于金屬防護(hù)，其良好的阻隔性能和屏蔽性能，有“新材料之王”的美譽(yù)，有關(guān)石墨烯在防腐領(lǐng)域的研究吸引了世界各國(guó)研究者的關(guān)注。石墨烯涂料主要有純石墨烯z涂料和石墨烯復(fù)合涂料。石墨烯涂料主要是指純石墨烯在金屬表面發(fā)揮防腐蝕、導(dǎo)電等作用的功能涂料。單純使用石墨烯防腐蝕涂層具有很多局限性：對(duì)石墨烯品質(zhì)要求高，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，所以一旦薄膜有輕微的缺陷便會(huì)加劇金屬腐蝕，只能提供短時(shí)間的抗氧化腐蝕效能；對(duì)金屬基底可選擇的不多；難以大規(guī)模、大面積制備，難以產(chǎn)業(yè)化。石墨烯復(fù)合涂料主要是指石墨烯首先與聚合物樹(shù)脂復(fù)合內(nèi)，然后以復(fù)合材料制備功能涂料，石墨烯與附著力強(qiáng)、成膜性好的樹(shù)脂結(jié)合可制備防腐性能優(yōu)異的石墨烯復(fù)合涂料，可顯著提升聚合物的性能。不同的石墨烯加入量及樹(shù)脂種類(lèi),都會(huì)影響復(fù)合涂料的性能,特別是其電學(xué)性能和防腐性能，石墨烯復(fù)合涂料成為石墨烯的重要應(yīng)用研究領(lǐng)域。

1、石墨烯屬性復(fù)合防腐涂料

石墨烯超大的比表面積、優(yōu)良的阻隔性、高的化學(xué)穩(wěn)定性及良好的導(dǎo)電性等性能，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能及其衍生物可引發(fā)聚合反應(yīng)等特點(diǎn)，引入柔性鏈段，在改善樹(shù)脂基材料性能方面具有巨大的潛力，對(duì)于防腐涂料綜合性能具有較強(qiáng)的提升作用。目前，石墨烯復(fù)合防腐涂料的研究主要以溶劑型復(fù)合材料為主。溶劑型涂料中含有大量的有毒重金屬和高VOCs，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，涂料的發(fā)展向著水性方向快速轉(zhuǎn)變，開(kāi)發(fā)低成本、高性能、綠色環(huán)保的新型石墨烯水性復(fù)合防腐涂料已成為重防腐蝕涂料的重要發(fā)展方向。

石墨烯具有的獨(dú)特性能， 為改善水性涂料的致密性、阻隔性、機(jī)械性能以及防腐性能帶來(lái)新的改進(jìn)途徑。

2、石墨烯防腐機(jī)理

石墨烯本身具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)性質(zhì)，使其在物理防腐和電化學(xué)防腐方面都展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

l 片層結(jié)構(gòu)：石墨烯石墨烯的片層結(jié)構(gòu)的堆疊作用，在涂層中可形成“迷宮式”屏蔽結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸潤(rùn)、滲透和擴(kuò)散，提高涂層的物理阻隔性。

l 小尺寸效應(yīng)：石墨烯可以填充到涂層的缺陷當(dāng)中，減少涂層孔隙率，增強(qiáng)涂層致密性，形成良好的物理隔絕層；

l 疏水性：疏水性好，加入到涂料中可以阻隔水分子與金屬基材的直接接觸。

l 電化學(xué)防護(hù)：石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)使其具有良好導(dǎo)電性，同時(shí)，其片層結(jié)構(gòu)亦能夠保證涂層間有較好的電化學(xué)接觸，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提供更佳的電化學(xué)保護(hù)。

3 、石墨烯在水性防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用難點(diǎn)

①解決石墨烯的選材及與水性涂料的配套問(wèn)題。石墨烯的制備方法不同，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，不僅石墨烯的選擇多樣，而且石墨烯與不同的樹(shù)脂結(jié)合產(chǎn)生的作用也不同。涂料是一個(gè)復(fù)雜的配套體系，在制作過(guò)程中需要添加各種助劑填料等，這些添加部分的選擇也是多樣的，因此針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境選擇何種石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套體系是研究的重點(diǎn)。

 ②解決石墨烯在水性涂料中的用量問(wèn)題

少量的石墨烯可以?xún)?yōu)化樹(shù)脂組裝結(jié)構(gòu)，提高有序度，起到有效防腐作用，量太少起不到預(yù)想的作用，而過(guò)量石墨烯的加入會(huì)加速基體腐蝕。當(dāng)石墨烯填料添加量過(guò)大時(shí)，石墨烯容易發(fā)生聚集，在涂層中出現(xiàn)大量的無(wú)序堆積，形成硬的團(tuán)聚體成為涂料缺陷；另一方面會(huì)使涂料的黏度過(guò)高，影響涂層的成膜性和附著力，使得涂層產(chǎn)生大量的裂紋和缺陷，促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行，因此需要對(duì)特定的涂料體系選擇理想的石墨烯添加量。

③解決石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性問(wèn)題

石墨烯的π-π結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的范德華力，自身容易發(fā)生團(tuán)聚，而且團(tuán)聚體難以再分開(kāi)不能有效阻隔腐蝕介質(zhì)；石墨烯本身具有既不親水又不親油的結(jié)構(gòu)特征，與很多制備涂料的基材的潤(rùn)濕性差，在防腐涂料中很難分散，水、有機(jī)溶劑以及聚合物間不能形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合，導(dǎo)致其與樹(shù)脂間的界面結(jié)合力微弱，相容性差，易發(fā)生相分離，嚴(yán)重影響涂層的性能。 一般的分散劑分子又較難與石墨烯形成較強(qiáng)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將受限，使用化學(xué)改性，勢(shì)必干擾或一定程度上破壞π-π的完整性，從而降低或失去本征態(tài)石墨烯的優(yōu)異性能。石墨烯的分散還面臨著實(shí)際生產(chǎn)操作性方面的難題。例如，4%濃度的水型石墨烯漿料已是膏態(tài)，不具有流動(dòng)性，這為生產(chǎn)過(guò)程中物料傳輸、分散和化學(xué)反應(yīng)造成了困難。

4 總結(jié)與展望

水性防腐涂料經(jīng)石墨烯改性后，機(jī)械力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及防腐性能等得到提升，國(guó)內(nèi)已有不少相關(guān)研究工作和專(zhuān)利發(fā)表，發(fā)展勢(shì)頭較好。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為主的粉體，均可以用石墨烯進(jìn)行替代改性，而石墨烯的添加量?jī)H為0.5%-2%，便可取代30%-60%的防腐防銹填料，其降低成本、改善環(huán)境的意義，可見(jiàn)一斑。石墨烯水性復(fù)合防腐涂料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)熱潮持續(xù)升溫，其進(jìn)一步發(fā)展可期。

目前世界各國(guó)對(duì)防腐涂料的發(fā)展提出越來(lái)越多的要求，防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發(fā)展，加快石墨烯在水性防腐涂料中的應(yīng)用研究，對(duì)于加快水性涂料的轉(zhuǎn)型，推動(dòng)環(huán)保型重防腐涂料的發(fā)展進(jìn)程，具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和廣闊的發(fā)展前景。