關于石墨烯與石墨烯涂料在鋼鐵材料涂裝上的應用

劉強

摘 要：我國鐵路橋梁設施或者橋梁的附屬設施中采用了大量的鋼鐵，傳統的涂裝材料有維修周期短、耐久性差和費用高等弊端。利用石墨烯的特性和不同的涂料性能要求，以石墨烯為填料，制造出不同性能的復合涂料，或者提升各種不同用途的涂料的性能，從而對不同環境要求的鋼鐵材料進行保護。同時，使用新型石墨烯涂料符合我國材料高性能、高效率和低污染的要求。

關鍵詞：鋼鐵 涂料 石墨烯

中圖分類號：TQ127 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2019）03-0-01

引言

隨著我國高鐵大規模的建設，鐵路橋梁作為重要的基礎設備，其中橋梁的很多設施是由鋼鐵組成的，如人行道托架、圍吊籃托架、橋梁欄桿、鋼鐵支座等，這些設施在大氣環境中很容易銹蝕，特別是在高度侵蝕性環境下。材料的腐銹破壞對設備安全的危害已越來越明顯，傳統的防腐工藝和材料，例如在構件表面涂油漆，以延長其的使用壽命，很費時也很費力。研制和采用分散效果好、穩定性高和成本低的新型防腐涂料將是新一代防腐涂料的追求目標[1]。石墨烯涂料是一種新型的油漆材料，具有高質量、低成本、低污染、低能耗、高性能和貼近市場等特點。石墨烯在涂料中應用首先是改性溶劑型涂料，并且可保留水性涂料安全環保的優勢，又彌補了水性涂料防腐性能不足的短板，推動了水性涂料工業的發展[2]，給涂料工作者帶來新的期待。因此，石墨烯防腐涂料已經成為石墨烯的重要應用研究領域，并且也是極具發展潛力的耐腐蝕材料。

一、石墨烯及其特性簡介

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp?雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有尺寸小、導電好和硬度高等優點。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

1.耐腐蝕性能

將石墨烯添加到海洋重防腐蝕涂料中，能大幅減小傳統環氧富鋅涂料的鋅含量，增強涂層的附著力和耐沖擊等力學性能[3]，可制備出優于傳統富鋅類的防腐涂料。同時，有研究發現，添加石墨烯的環氧樹脂涂料與空白樣相比防腐效率提高了99.96%[4]，同時利用快速導電能力保護陽極，阻止鐵銹的生成。

2.氣體阻隔性能

均勻分散在聚合物基體中的石墨烯本身不具有氣體阻隔性，但石墨烯聚合物的氣體阻隔性增強。尤其是石墨烯與其他阻燃劑的協同作用更加改善了防火涂料的阻燃性能[5]，在防火涂料中添加微量氧化石墨烯，抑煙效果十分顯著。

3.物理機械性能

石墨烯是迄今為止發現的力學性能最好的材料之一，石墨烯表面吸附力強，能在涂料干燥室形成致密網狀結構，與基材間形成較強的附著力，表現出優異的力學性能。將石墨烯加入到涂料中，能增強涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率和耐磨性等物理性能。

二、石墨烯在涂料中的應用

因石墨烯具有高的比表面積、良好的導電性、優異的化學穩定性和導熱性等特性，使其在涂料中的應用受到廣泛關注，并由此展開了大量的研究工作。

1.石墨烯在環氧富鋅防腐涂料中的應用

均勻分散的石墨烯可在涂層中形成物理隔絕層，起屏蔽作用。將其加入到環氧富鋅防腐涂料中，能在涂料中形成網狀的導電結構，提高鋅粉的利用率，增強鋅粉對鋼板的陰極保護作用，達到更好的保護效果。在環氧富鋅防腐涂料中，加入石墨烯代替底漆中的部分鋅粉，制備成一種復合涂料，石墨烯與鋅粉發揮了良好的協同作用，大大降低鋅粉的用量，減少施工時的粉塵污染，通過對復合涂料的防腐機理分析后，結果表明，當石墨烯添加量為l%時，鋅烯復合涂層具有最佳的防腐性能[6]。

2.石墨烯在水性防腐涂料中的應用

水性防腐涂料是一種綠色環保的涂料，由于涂料中有機揮發物含量較低，成為了防腐涂料中重要的發展方向，近年來在防腐涂料領域中的應用呈上升趨勢。水性防腐涂料采用水為分散相，表面張力大，涂膜的成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，能夠使涂料的抗腐蝕能力提高，從而極大地提高鋼結構的耐腐蝕能力。并且，由于石墨烯自身的物理隔絕層和改變樹脂的結構組裝，達到有效改善涂料的結構缺陷，提升涂料的防滲透性能[7]。形成高性能的防腐體系，從而減少涂料的維修次數，減少污染和成本輸出。

3.石墨烯在導電涂料中的應用

以水為溶劑的水性涂料，安全環保，使得水性電磁屏蔽建筑涂料的開發日益受到人們的青睞，尤其，填料是涂料電磁屏蔽性能的決定性因素。碳系填料相比金屬系填料和復合系填料有密度小、耐腐蝕和導電性能穩定等優點。石墨烯填料作為碳系填料的一種材料，又有相比其他填料更好的物理、化學性能，如導電率優異、表面積大、抗拉強度高和穩定性強等。同時，近年來石墨烯作為新型導電填料的研究在發達國家取得的成果令人矚目。有研究表明，以石墨烯作為導電填料，以丙烯酸樹脂乳液為基料，按最佳配方制備的水性導電涂料，性能穩定，對頻率在0.1-}-1000MHz內的電磁波的衰減都在30dB以上，對頻率在0.1-}-10MHz內的電磁波的衰減在60dB以上，具有很好的電磁輻射屏蔽效果[8]。

4.石墨烯在建筑隔熱涂料中的應用

大部分的鋼結構常年暴漏在外，尤其烈日下導致鋼結構的溫度很高，采用隔熱性能較好的涂料可以有效增加鋼結構的生命周期。石墨烯具有較高的導熱系數，石墨烯改性涂料可以很長時間在高溫環境下進行工作，將石墨烯加入到涂料中，可提高涂料的耐沖擊性、導熱性與防腐性等[9]。同時有研究表明，六硼化鑭與氧化石墨烯共混制備PVB透明隔熱薄膜，氧化石墨烯的加入不僅令PVB薄膜在可見光區和近紅外區的透過率都降低，而且提高了它的熱穩定性[10]。說明氧化石墨烯應用于建筑隔熱涂料中可有效降低建筑物的內部溫度，并且不會污染環境具有積極的科研究性。具有太陽能反射、隔熱、紅外輻射等多重功能的新型環保節能涂料具有很高的社會價值和經濟價值。

5.石墨烯在海洋防污涂料中的應用

我國既有工程和在建工程很多都在海洋環境中，目前市場上應用的海洋防污涂料大多具有毒性，不符合生態持續發展要求，石墨烯作為新興的碳系材料具有殺菌性且自身無毒，對環境也沒有污染[11]。由于石墨烯的這一特性，加入防污涂料中，使復合涂料具有良好的抑菌性外，還具有明顯的殺菌效果，使涂層防污防腐性能得到極大的提升。

6.石墨烯在防火涂料中的應用

鋼結構在火災場景中主要由于受熱軟化而失去承載力，表層的防火涂料可提高鋼結構的耐火極限。石墨烯具有優越的氣體隔絕性能、吸附性能、超強的機械強度和熱穩定性，同時，石墨烯的阻燃機理已得到深入的研究。研究表明，防火涂料中加入石墨烯可增強防火涂料的熱穩定性和阻燃性能，同時與其他阻燃材料協同作用能夠進一步提高氣體阻隔性能，抵御發生火災是易燃和毒性氣體的散逸。同時，石墨烯在高溫下具有增強和保持涂層表面完整性的能力，有助于延遲結構坍塌的發生[12]。

結語

石墨烯作為一種新型的功能納米材料，具有導電性能卓越、化學穩定性優異、力學性能突出、導熱性高等特點，因而在涂料中有著廣泛的應用。石墨烯在防腐、導電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃等功能性涂料體系中均可大幅提高涂料的綜合性能，展現出誘人的潛在應用前景，同時說明石墨烯與石墨烯涂料在鋼結構涂裝上有很強的實踐理由。目前來看，雖說石墨烯在涂料領域的發展勢頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關鍵性技術問題需要解決，相信隨著研究的持續深入和科技的快速發展，這些問題都會迎刃而解，石墨烯也必將推動涂料產業的新一輪轉型升級。