進(jìn)入21世紀(jì)后，海洋經(jīng)濟(jì)越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。我國(guó)“十四五”規(guī)劃中也明確指出海洋戰(zhàn)略是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。海洋工程裝備腐蝕過(guò)程主要來(lái)源于金屬表面與海洋腐蝕介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，因此在金屬表面開(kāi)發(fā)出適應(yīng)于海洋復(fù)雜腐蝕環(huán)境的先進(jìn)防腐材料和新型高效的防腐特種技術(shù)就顯得尤為重要。

    一般采用的像化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯薄膜容易在石墨烯晶格中存在著孔洞或微裂紋等缺陷。腐蝕介質(zhì)很容易通過(guò)這些缺陷擴(kuò)散到金屬基體表面，從而在石墨烯晶粒界面或石墨烯薄膜與金屬基體界面產(chǎn)生輕微腐蝕現(xiàn)象。因此，更多的學(xué)者將石墨烯及其衍生物作為防腐功能性填料添加到聚合物中，制備具有一定防腐能力的聚合物基石墨烯復(fù)合防腐涂層。該防腐涂層新技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、成本低、選擇性好、適用范圍寬、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的普適方法。

1 石墨烯及其衍生物在聚合物防腐涂層中的應(yīng)用

石墨烯具有極高的比表面積、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫、腐蝕、氧化和鹽溶液等環(huán)境中均能保持良好的穩(wěn)定性，這對(duì)于聚合物基復(fù)合防腐涂層綜合性能的提升具有很大的幫助，可顯著提高涂層的防腐能力、耐磨性和涂層對(duì)金屬基體的附著力。將石墨烯與聚合物防腐基體進(jìn)行高效復(fù)合，制備結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)合防腐涂層，是發(fā)揮石墨烯優(yōu)異防腐特性、提升復(fù)合涂層防腐能力、實(shí)現(xiàn)復(fù)合防腐涂層大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的有效途徑。 特別是石墨烯衍生物由于羥基、羧基等親水性基團(tuán)的存在，與聚合物的兼容性較高，更進(jìn)一步提高了聚合物基防腐涂層實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的可能性。

1.1 石墨烯在聚合物防腐涂層中的應(yīng)用

憑借良好的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、耐溫性、導(dǎo)熱性、不可滲透性及高的徑厚比，單層石墨烯便能夠阻隔大部分腐蝕介質(zhì)。不論是將石墨烯作為金屬材料表面薄膜，還是將其作為填料制成復(fù)合涂層，都能有效防止金屬的腐蝕，同時(shí)還能提高金屬表面的耐磨性和導(dǎo)電性等。 目前，在金屬面制備石墨烯薄膜的方法主要有CVD法、電泳沉積法（EPD）和層層自組裝法；而石墨烯填料的制備方法主要有機(jī)械剝離法、Hummer法和焦耳加熱法等。雖然CVD等方法制備的石墨烯薄膜在金屬防腐蝕早期具有優(yōu)異的防腐效果，但是能耗高、成本高的特點(diǎn)阻礙了其工業(yè)化應(yīng)用。從當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)來(lái)看，工業(yè)上大多采用插層膨脹剝離法來(lái)制備石墨烯粉體和石墨烯漿料等產(chǎn)品。目前，石墨烯/聚合物防腐涂料在金屬結(jié)構(gòu)材料、能源材料、海洋工程裝備等現(xiàn)代化工領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1.2 氧化石墨烯在聚合物防腐涂層中的應(yīng)用  

雖然少層二維片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯在聚合物基防腐涂料中起到很好的阻隔作用，可有效增強(qiáng)聚合物基防腐涂料的防腐蝕性能。但是石墨烯比表面積非常大，具有顯著的納米效應(yīng)，容易在聚合物基體中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使涂料在固化時(shí)極易產(chǎn)生大的孔隙，這為腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散滲透提供了良好的通道，大大影響了石墨烯/ 聚合物類(lèi)復(fù)合防腐涂層的防腐蝕性能。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的化學(xué)氧化衍生物，同樣具有二維片層結(jié)構(gòu)，此外其表面還含有豐富的親水性含氧官能團(tuán)。這使GO除了擁有良好的阻隔屏蔽保護(hù)性能之外，還具有了其他更加優(yōu)異的性能。特別是GO的羧基易與水性聚合物側(cè)鏈上的羧基結(jié)合形成氫鍵，從而提高在防腐涂料中的分散能力。此外,GO在聚合物基防腐涂料干燥固化過(guò)程中還會(huì)與聚合物分子鏈發(fā)生酯化反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效提高防腐涂層的穩(wěn)定性和附著力。GO豐富的含氧官能團(tuán)還可以使其具有與其他功能性填料復(fù)合的能力，發(fā)揮協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。

當(dāng)前，含GO粉體或漿料的聚合物基綠色水性防腐涂料已廣泛應(yīng)用于重防腐等領(lǐng)域。而GO的氧化程度和長(zhǎng)徑比是影響該涂層防腐蝕性能的關(guān)鍵，這將是該領(lǐng)域未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

1.3 還原氧化石墨烯在聚合物防腐涂層中的應(yīng)O

還原氧化石墨烯（RGO）是GO經(jīng)化學(xué)還原或高溫?zé)徇€原反應(yīng)后丟失了部分含氧官能團(tuán)（—OH和—COOH）的一種石墨烯衍生物。 相較于GO，RGO化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定、疏水性更好、導(dǎo)電性較差、制作成本更低，與聚合物基體的相容性也更好，因此也更適合應(yīng)用于海洋工程裝備等工業(yè)化防腐領(lǐng)域。

1.4 氟化石墨烯在聚合物防腐涂層中的應(yīng)用

氟化石墨烯（FG）是將氟原子引入到石墨烯片層的碳原子上，使石墨烯部分氟化或全部氟化的石墨烯衍生物。FG不但保留了石墨烯二維片狀結(jié)構(gòu)，還由于氟原子的引入，使其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、抗?jié)B透性、良好的絕緣性、疏水性和較高的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，F(xiàn)G作為填料加入到聚合物涂層中，可以改善涂層的耐高溫、耐腐蝕性和耐摩擦性，因此FG廣泛應(yīng)用于高溫涂層、抗磨潤(rùn)滑涂層以及耐腐蝕涂層。

2 結(jié)語(yǔ)

雖然石墨烯／聚合物防腐涂層在近幾年取得了非常顯著的進(jìn)展，但在未來(lái)研究中還有一些非常關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決。首先，需要建立起石墨烯及其衍生物在不同聚合物基體中的分散方法、分散溶劑類(lèi)型和改性劑數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)著重解決石墨烯及其衍生物在聚合物基體中的團(tuán)聚問(wèn)題；其次，要更加深入地研究GN長(zhǎng)徑比、RGO氧化程度和FG含氟量等因素對(duì)石墨烯／聚合物涂層防腐性能的影響；最后，還要對(duì)石墨烯及其衍生物在聚合物中前中后期的防腐蝕機(jī)理進(jìn)行更加透徹的分析。從石墨烯及其衍生物的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)石墨烯及其衍生物進(jìn)行改性修飾可賦予其更多優(yōu)異的性質(zhì)和功能，可以更加高效地改善防腐涂料的性能。石墨烯及其衍生物作為一種綜合性能優(yōu)異的新型功能材料，必將在海洋工程裝備等重防腐蝕領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用潛力。

摘錄自《現(xiàn)代化工》第44卷第2期，如有侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除。