石墨烯防腐涂料研究進(jìn)展（1）

腐蝕一直是制約各國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)損失是因腐蝕造成的，腐蝕也對(duì)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(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)具有深遠(yuǎn)的意義，其中應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(dú)特優(yōu)異的性質(zhì)就引起各界包括涂料領(lǐng)域的極大的關(guān)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(dǎo)電性能和片狀搭接阻隔性能，可以對(duì)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(duì)于其他防腐涂料而言，在導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、抗菌性能等方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。

本文對(duì)新材料石墨烯的結(jié)構(gòu)、性能和制備方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)石墨烯防腐涂料的防腐機(jī)理以及不同種類石墨烯防腐涂料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，探討了石墨烯防腐涂料的實(shí)際應(yīng)用情況、存在的問題，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 石墨烯

1.1 石墨烯結(jié)構(gòu)

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(gè)原子層厚度 （0.35 nm），C-C鍵長(zhǎng)為0.142 nm。碳原子有四個(gè)價(jià)電子，如圖1b所示，石墨烯晶格結(jié)構(gòu)中，碳原子的2s軌道上有兩個(gè)電子，其中一個(gè)電子躍遷到2pz軌道上，另一個(gè)電子與2px和2py上的電子通過sp2雜化形成三個(gè)σ鍵 （圖a藍(lán)），相鄰兩個(gè)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(gè)碳原子2pz軌道上的電子以肩并肩的方式形成一個(gè)離域π鍵，貫穿整個(gè)石墨烯。

1.2 石墨烯性能

石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，電子遷移率高達(dá)200000 cm2·V -1·S-1，是光速的1/300，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)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(qiáng)度和硬度最高的晶體材料，其楊氏模量高達(dá)1100 GPa，強(qiáng)度極限為42 N/m2，斷裂強(qiáng)度高達(dá)130 GPa。另外，石墨烯具有優(yōu)異的疏水、疏油性能，高達(dá)2630 m2/g的理論比表面積，良好的韌性和屏蔽性。上述獨(dú)特的性能使得石墨烯在防腐領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(xué)剝離法、高溫?zé)徇€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(jìn)一步地深入探索。

1.4 石墨烯分散技術(shù)改性

石墨烯片層間存在著強(qiáng)烈的π-π鍵相互作用，它會(huì)使石墨烯在聚合物基體中發(fā)生團(tuán)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(duì)于石墨烯應(yīng)用于防腐領(lǐng)域有著至關(guān)重要的意義。

常用的促進(jìn)分散的方法是對(duì)石墨稀進(jìn)行功能化改性，通過在石墨烯上接枝其他成分和結(jié)構(gòu)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(yīng)用需求對(duì)石墨烯進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)[13]。黃國(guó)家等[14]根據(jù)石墨烯和氧化石墨烯的化學(xué)鍵或官能團(tuán)等本征結(jié)構(gòu)，將石墨烯或氧化石墨烯的表面功能化歸納為非共價(jià)鍵結(jié)合改性、共價(jià)鍵結(jié)合改性和元素?fù)诫s改性三種；其中非共價(jià)鍵結(jié)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(jià)鍵結(jié)合改性包括：碳骨架功能化，官能團(tuán)羥基、羧基和環(huán)氧基的功能化；元素?fù)诫s功能化改性中的元素包括N、B、P等不同元素。

非共價(jià)鍵功能化改性是指利用石墨烯的超大比表面積特點(diǎn)，將其氫鍵、π-π鍵等與其它化合物進(jìn)行非共價(jià)鍵的結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)是在滿足改善石墨烯的分散性的基礎(chǔ)上，可以保持石墨烯或氧化石墨烯本體結(jié)構(gòu)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(diǎn)，有時(shí)需要添加穩(wěn)定劑或進(jìn)行超聲分散。共價(jià)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(tuán)與引入的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成共價(jià)鍵。石墨烯的骨架是穩(wěn)定的多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)，但骨架的邊緣或缺陷部位具有較高的反應(yīng)活性。氧化石墨烯表面含有大量的含氧基團(tuán) （羥基、羧基、環(huán)氧基），通過這些基團(tuán)發(fā)生常見的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步改性氧化石墨烯。目前對(duì)于石墨烯分散性的表征手段尚不嚴(yán)謹(jǐn)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以如何解決石墨烯分散性問題仍是今后研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

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