一直以來，金屬的腐蝕都是令各國頭疼的問題，每年都會對經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，最常見的防腐措施就是在其表面噴涂有機(jī)涂層。石墨烯作為填料加入到有機(jī)涂層中，可利用其納米片層結(jié)構(gòu)阻隔腐蝕物質(zhì)滲透，但由于其在聚合物基體中分散性不好，具有團(tuán)聚傾向，因而不能完全發(fā)揮其阻隔性能。同時石墨烯具有的導(dǎo)電性會使外界腐蝕介質(zhì)與金屬基體之間形成微導(dǎo)電通路，反而加速基體腐蝕，導(dǎo)致石墨烯改性有機(jī)涂層在短期有效，但在長期的耐腐蝕過程中表現(xiàn)不足。因此石墨烯在有機(jī)涂層中的形態(tài)控制是影響石墨烯/聚合物復(fù)合涂層防腐性能的關(guān)鍵因素，探究如何提高石墨烯的分散性和定向取向來增強(qiáng)涂層的耐腐蝕性是需要進(jìn)一步攻克的難題。

從能帶結(jié)構(gòu)上看，石墨烯是零帶隙材料，具有導(dǎo)電性，因此在作為防腐填料使用時已發(fā)現(xiàn)以下問題: (1)石墨烯添加量的控制十分嚴(yán)苛。少量的石墨烯可以優(yōu)化樹脂組裝結(jié)構(gòu)，提高有序度，起到有效防腐作用，但是過量石墨烯的加入會導(dǎo)致石墨烯自身形成微導(dǎo)電通路，使得外界腐蝕介質(zhì)與金屬基體連通，反而加速基體腐蝕。(2)石墨烯能夠提供有效的短期氧化保護(hù)，但在長時間尺度上，它促進(jìn)了比最初裸露、未受保護(hù)的金屬表面更廣泛的腐蝕。這是因?yàn)閺碾娀瘜W(xué)電位角度來看，相對于大多數(shù)金屬石墨烯是陰極性的，使得暴露的石墨烯-金屬界面易腐蝕，進(jìn)而加速危險的局部腐蝕。只要該涂層出現(xiàn)輕微裂紋或劃痕，就會加速局部的電化學(xué)腐蝕，使得暴露區(qū)域的腐蝕速率大大加快，并降低金屬的強(qiáng)度和韌性等性能。因此，石墨烯作為填料加入到有機(jī)涂層中時，想要更大程度發(fā)揮其阻隔性能，并避免導(dǎo)電通路的形成，控制石墨烯在有機(jī)涂層中的形態(tài)是關(guān)鍵，探究如何提高石墨烯的分散性和定向取向來增強(qiáng)涂層的耐腐蝕性是需要進(jìn)一步攻克的難題。

石墨烯的分散

 石墨烯片層之間有很強(qiáng)的范德華力，易在基體中團(tuán)聚，難以分散均勻，因此解決其團(tuán)聚問題很關(guān)鍵，通常做法是對石墨烯進(jìn)行改性，提高其與基體之間的相容性，一般采用有機(jī)小分子、聚合物、無機(jī)納米顆粒等改性石墨烯。如硅烷類偶聯(lián)劑，有機(jī)胺類小分子；聚苯胺，聚醚胺，聚乙烯亞胺，聚多巴胺；以及氧化鋁，四氧化三鐵，二氧化硅等等。

圖1 聚苯胺鏈以氫鍵或π-π共軛的方式沉積在氧化石墨烯表面

石墨烯的取向

       改善GO（氧化石墨烯）的分散性是為了提高涂層對腐蝕性離子的阻隔性能，但如GO在涂層中沒有更大程度地平行于金屬基材表面排列，而是隨意取向甚至垂直取向排列，不僅會降低對腐蝕性物質(zhì)的阻隔作用，甚至容易相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)腐蝕發(fā)生時反而加快腐蝕反應(yīng)。因此研究GO在聚合物基體中的取向非常必要。可以采用磁場誘導(dǎo)石墨烯取向；電場誘導(dǎo)石墨烯取向；力場誘導(dǎo)石墨烯取向以及層層自組裝法（通過在帶電基板上交替沉積帶相反電荷的聚電解質(zhì)來制備聚電解質(zhì)自組裝多層膜）。

圖2 氧化石墨烯在電場作用下的取向排列

     目前石墨烯的阻隔作用是廣大學(xué)者普遍認(rèn)同的防腐機(jī)理，然而石墨烯的分散性和取向是影響發(fā)揮其阻隔性能的關(guān)鍵因素，對提高石墨烯在涂層中分散性的研究有很多，但難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，因此尋找簡單方便、成本低和高效的改性方法是未來要解決的問題之一。其次對于如何控制石墨烯納米片在聚合物基體中取向排列的研究還很少，關(guān)于其取向排列的理論也不夠完善，本文提到的電場、力場和磁場等方法在實(shí)際應(yīng)用中也難以形成規(guī)模。但是相信隨著對石墨烯改性防腐涂料研究的進(jìn)一步深入，這些問題都將得到解決，石墨烯在防腐領(lǐng)域的發(fā)展前景是不可估量的。

摘錄自《材料導(dǎo)報》第37卷第17期，如有侵權(quán)請告知刪除。