石墨烯防腐涂料研究进展

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腐蚀一直是制约各国经济发展的重大问题之一，全球每年有2.5万亿美元左右的直接经济损失是因腐蚀造成的，腐蚀也对人类的健康和安全带来了威胁，因此研究开发防腐蚀材料对经济和社会具有深远的意义，其中应用防腐涂料是解决腐蚀问题的主要方式之一。
防腐涂料是指由底漆、中漆和面漆组成的具有防腐蚀功能的涂料，依据涂料应用领域的不同，可以分为常规防腐涂料和重防腐涂料。一般常见的防腐涂料有环氧树脂涂料、醇酸树脂涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸树脂涂料、富锌涂料等。
石墨烯自2004年被成功从石墨中剥离以来，其独特优异的性质就引起各界包括涂料领域的极大的关注。石墨烯作为单层碳纳米材料，可以制备成涂层或者作为填料用于防腐涂料中，其良好的导电性能和片状搭接阻隔性能，可以对氧和腐蚀介质起到屏蔽作用，降低了防腐涂层的渗透性能，从而提高涂层的防腐蚀性能。石墨烯防腐涂料相对于其他防腐涂料而言，在导电性、热稳定性、力学性能、抗菌性能等方面优势更为明显。
本文对新材料石墨烯的结构、性能和制备方法进行了简要介绍，并对石墨烯防腐涂料的防腐机理以及不同种类石墨烯防腐涂料的研究进展进行综述，探讨了石墨烯防腐涂料的实际应用情况、存在的问题，并对未来发展方向进行展望。
1 石墨烯
1.1 石墨烯结构
石墨烯 （Graphene） 是一种由碳原子以sp?杂化轨道组成的呈蜂巢晶格状六角型的平面二维薄膜，其厚度只有一个原子层厚度 （0.35 nm），C-C键长为0.142 nm。碳原子有四个价电子，如图1b所示，石墨烯晶格结构中，碳原子的2s轨道上有两个电子，其中一个电子跃迁到2pz轨道上，另一个电子与2px和2py上的电子通过sp2杂化形成三个σ键 （图a蓝），相邻两个键之间的夹角为120°，未成键的2pz轨道上的电子为公共，与sp?杂化平面垂直并形成弱π键 （图a紫），每个碳原子2pz轨道上的电子以肩并肩的方式形成一个离域π键，贯穿整个石墨烯
1.2 石墨烯性能
石墨烯具有优良的导电性和导热性，电子迁移率高达200000 cm2·V -1·S-1，是光速的1/300，且远远大于电子在一般导体中的运动速度；导热系数高达5300 W/ （m·K），比常见金属，如Au、Ag、Cu等高10倍以上。
石墨烯是目前已知的晶体材料中强度和硬度最高的晶体材料，其杨氏模量高达1100 GPa，强度极限为42 N/m2，断裂强度高达130 GPa。另外，石墨烯具有优异的疏水、疏油性能，高达2630 m2/g的理论比表面积，良好的韧性和屏蔽性。上述独特的性能使得石墨烯在防腐领域有着广泛的应用前景。
1.3 石墨烯的制备方法
石墨烯的制备方法如表1所示。电弧放电法、化学剥离法、高温热还原法也可以用于制备石墨烯，但是这些方法制备出的石墨烯层数和质量还有待进一步地深入探索。