馬譽(yù)菀 趙健 楊安衛(wèi)

摘 要：石墨烯具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和廣泛的應(yīng)用前景。它可用于電子工業(yè)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、超級(jí)電容器和復(fù)合材料、涂料等領(lǐng)域。今后，石墨烯將引發(fā)半導(dǎo)體、光伏、能源、航天、國(guó)防、軍工等行業(yè)的革命性技術(shù)變革，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：石墨烯;防腐涂料;應(yīng)用

0 前言

石墨烯因其化學(xué)穩(wěn)定性高、抗氧化性能強(qiáng)以及獨(dú)特的化學(xué)惰性而受到重視。此外，石墨烯對(duì)氧氣和水等腐蝕介質(zhì)還具有極高的抗?jié)B透性，加入到防腐涂層中可以起到較好的物理屏障作用，在防腐涂料中用作防腐添加劑的研究已有一定進(jìn)展。傳統(tǒng)防污涂料通常采用添加汞、銅、錫等重金屬氧化物（毒性物質(zhì)）的方式，來(lái)抑制海洋微生物附著在船體表面，以達(dá)到防污的效果。

1 石墨烯概述

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有單原子層的石墨結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯有多種優(yōu)異性能，例如：①目前它是世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，同時(shí)還具有很好的柔韌性;②它的吸收率只有2.3%，因此它幾乎是完全透明的;③它的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/（m·K），比碳納米管和金剛石的都高;④常溫下它的電子遷移率超過(guò)15000cm2/（V·s），具有比銅或銀更低的電阻率;⑤它具有極大的比表面積（理論比表面積可達(dá)2600m2/g以上）。

石墨烯在高機(jī)械強(qiáng)度、高比表面積、高導(dǎo)電性等方面和其他材料相比具備極大優(yōu)勢(shì)，可用于生產(chǎn)性能優(yōu)異的復(fù)合材料，用于化學(xué)電源、超級(jí)電容器的電極材料等方面。石墨烯具有片狀結(jié)構(gòu)，可與其他物質(zhì)形成“面—面”接觸，使復(fù)合材料具備導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能，具有極大的硬度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)異性能。總的來(lái)說(shuō)，石墨烯是當(dāng)今材料界中最薄、最堅(jiān)硬、最導(dǎo)熱、最導(dǎo)電的材料。國(guó)際上給出的定義是，只有1～2層碳原子的納米薄片才能稱(chēng)之為“石墨烯”，并且只有沒(méi)有任何缺陷的石墨烯才具備完美特性。而現(xiàn)在常見(jiàn)的、實(shí)際批量生產(chǎn)的“石墨烯”多為多層結(jié)構(gòu)，且存在較多的結(jié)構(gòu)缺陷，因此其性能自然大打折扣。使用天然石墨進(jìn)行剝離是制作石墨烯材料的最基本技術(shù)路線。目前，制備石墨烯的方法有機(jī)械剝離法、溶劑剝離法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法、真空外延生長(zhǎng)法、微波膨化法等。不管采用什么制備方法，針對(duì)石墨烯產(chǎn)品的目標(biāo)都是一致的，那就是石墨烯要盡可能具備薄、大、結(jié)晶好、結(jié)構(gòu)缺陷少等特點(diǎn)，以便發(fā)揮石墨烯的最大優(yōu)勢(shì)。

2 石墨烯在防腐涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年中國(guó)因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的1.4%左右，約合人民幣8億元。全世界每年由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失為7000億～10000億美元，約是臺(tái)風(fēng)、地震、水災(zāi)等其他自然災(zāi)害造成的損失總和的6倍。因此，對(duì)防腐蝕的研究引起了各國(guó)重視，也成為世界各國(guó)科學(xué)家的研究重點(diǎn)，其中防腐涂料的研究更是重中之重。

石墨烯作為填料，能從物理防腐和電化學(xué)防腐兩個(gè)方面提升涂料的防腐性能，使新型的防腐涂料具有良好的韌性和耐腐蝕性、很強(qiáng)的附著力及很高的硬度。加入石墨烯的防腐涂料，在涂層上形成壁壘效應(yīng)起到隔離的作用，通過(guò)陰極保護(hù)，達(dá)到涂層腐蝕被鈍化的效果，從而使涂層的耐腐蝕性能得到顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，以石墨烯為填料，填充到環(huán)氧樹(shù)脂/聚苯胺/聚氨酯（PU）等涂料中，可在很大程度上提升涂層的綜合防腐性能。與傳統(tǒng)的富鋅類(lèi)防腐涂料相比，其性?xún)r(jià)比有所提升，每1t涂料可節(jié)省超過(guò)1000元。而重防腐涂料的底漆中含鋅量高達(dá)96%，采用石墨烯添加到重防腐涂料當(dāng)中，可以大幅降低鋅的使用量，并且形成大量的隔離層，阻止外界對(duì)基體材料的侵蝕，使重防腐涂料的防腐性能得到明顯提高。

目前，中國(guó)重防腐涂料需求主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槭突ぁ蛄?、船舶、集裝箱等，中國(guó)重防腐涂料消費(fèi)量近180萬(wàn)t/a，占世界重防腐涂料總消費(fèi)量的40%以上。因此，添加石墨烯的重防腐涂料市場(chǎng)前景樂(lè)觀。2015年3月20日，中國(guó)石墨烯新型防腐涂料在江蘇成功研發(fā)，并已被應(yīng)用于海上風(fēng)電塔筒的防腐。烯鋅型風(fēng)電設(shè)備重防腐涂料是以石墨烯為主體原料，與傳統(tǒng)重防腐涂料相比，其防腐效果提升4倍以上，且該涂料可薄膜涂裝，增加了涂布面積，提高了涂料使用率。新型石墨烯改性重防腐涂料，經(jīng)過(guò)數(shù)年技術(shù)攻關(guān)，由中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團(tuán)隊(duì)于2017年成功研發(fā)。該涂料擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，突破了石墨烯改性防腐涂料研發(fā)及應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。該成果經(jīng)中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)鑒定成功通過(guò)，其中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)鹽霧壽命超過(guò)6000h，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家政策的不斷利好，市場(chǎng)需求的日益增加，石墨烯涂料的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越廣闊。與美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和組織相比，中國(guó)對(duì)石墨烯的研究起步較晚。通過(guò)科研人員孜孜不倦的努力，無(wú)論是從反應(yīng)機(jī)理的研究，還是從改性方法的研究，無(wú)論是從降低石墨烯產(chǎn)品成本，還是大規(guī)模提高石墨烯產(chǎn)量，相信在不久的將來(lái)，石墨烯涂料以其優(yōu)異的性能及性?xún)r(jià)比將在涂料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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