石墨烯在涂鍍層防腐領域的應用研究及進展

（昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093）

腐蝕造成建筑、設備、結構件、橋梁等失效與破壞，給人們的日常生活帶來了巨大的損失。自2004年英國物理學家Andre Geim從石墨中成功分離出單層石墨烯以來，開辟了單層納米材料的全新研究與應用[1]。通常以石墨或者膨脹石墨為原料，通過機械剝離法[2]、外延生長法[3]、化學氣相沉積法（CVD）[4]、氧化還原法[5]等制備石墨烯。石墨烯除了單獨作為防腐層外，還可以添加到涂鍍層中，以提高其防腐性能。目前，市場上石墨烯的應用主要集中在石墨烯有機復合涂料及石墨烯富鋅底漆防腐領域，被應用于管道、船舶、器材、橋梁、輸電鐵塔等金屬表面防護。基于石墨烯在金屬防腐領域巨大的應用潛力，本文將針對石墨烯在傳統涂鍍層技術的添加應用及性能提升方面展開全面的綜述、分析與歸納，以期促進石墨烯材料在金屬涂鍍領域的應用和現代涂鍍層技術的發展。

1 石墨烯的物化特征

1.1 石墨烯的電、力學性能

石墨烯是一種電子能量與動量呈線性關系的典型零帶隙半金屬材料，石墨烯的C—C鍵成鍵軌道和反鍵軌道完全對稱分布在平面，每一個π軌道之間相互作用形成巨大的共軛體系。這一特殊的能帶結構，賦予了石墨烯極高的電子遷移率2×105cm2/(V·S)[6]。石墨烯內部碳原子sp2雜化后會形成牢固的碳鍵，且石墨薄層之間依靠范德華力和π電子的耦合作用，使導熱率高達5300 W/(m·K)[7]，同時賦予了石墨烯優異的力學性能（55 N/m）[8]。

1.2 石墨烯分散技術

石墨烯納米片層間存在范德華力且比表面積大，導致石墨烯在涂鍍層中發生團聚，失去石墨烯本征優異性能，導致涂鍍層易形成孔洞，造成缺陷。為了改進石墨烯在涂鍍層中的分散效果，利用物理分散法、化學分散法預分散石墨烯。

1.2.1 物理分散法

機械分散法利用石墨粉為原料，借助機械剪切力或強力攪拌方式分散石墨烯。超聲分散法以膨脹石墨為原料，利用超聲的空化作用，以高能振蕩減弱石墨烯表面能，且以高速剪切的方式克服膨脹石墨層間的范德華力，將石墨層與層分離，獲得石墨烯分散液。目前應用最成熟的分散劑是N-甲基-2-吡咯烷酮，經超聲剝離法制備高濃度石墨烯分散液，范圍為0～63 mg/mL，尺寸在1 μm以上[9-11]。隨著超聲分散法逐步成熟，分散劑也形成多樣性，如十二烷基磺酸鈉（SDS）、酒精、丙酮、乙醇和甲酰胺等，在石墨烯薄片之間抑制了石墨烯聚集，獲得短時間內較穩定的分散溶液[12-14]。該方法沒有復雜的氧化過程，不會引入缺陷，可制備出高質量石墨烯分散液。但超聲時間過長，導致石墨烯薄片出現局部缺陷，同時減小石墨烯薄片面積[13]，在涂鍍層中填充孔隙的效果差，容易發生團聚，且添加量大，成本高，因此在實際應用中不采用此種方法。

1.2.2 化學分散法

目前，最常用的石墨烯化學修飾方法以共價功能化和非共價功能化為主，共價功能化在石墨烯表面選擇性地修飾和親核取代特殊的官能團，使石墨烯穩定均勻地分散在有機溶劑中。Tolle等人[15]以石墨為原料，利用Hummers[16]法制備了石墨烯，再經過熱還原處理和高壓均質處理，獲得均勻分散的石墨烯分散液。由于還原過程中，氧化石墨烯（GO）表面的含氧基團未能被完全還原，這些含氧基團的殘留促進石墨烯分散于溶劑中，可實現產量化。但含兩個共價鍵的氧原子的氧化作用復雜，導致碳苯環上帶有很多缺陷，使石墨烯分散液的品質不佳。非共價功能化屬于物理反應，主要通過π-π鍵相互作用、靜電作用和氫鍵作用等分散石墨烯。Parviz等[17]采用多種表面活化劑和聚合物與石墨烯共混，在石墨烯表面吸附特殊官能團，消弱石墨烯片層間的π-π鍵作用力，提高其在溶劑中的分散性。Li等[18]通過氫化反應使碳原子從sp2雜化轉變為sp3雜化，伸長碳鍵，使石墨堆疊層趨于松弛，在溶劑中超聲處理后得到穩定的分散液。Park等[19]利用KOH修飾石墨烯表面基團，使石墨烯表面攜帶負電荷，利用同種電荷之間的互斥原理，阻止石墨烯團聚，可起到分散效果。

化學分散法制備的石墨烯分散液較好，石墨烯面積較大，但分散過程中會引入新缺陷和化學溶劑殘留，影響涂鍍層的性能，比如降低涂鍍層的硬度和導電性。值得注意的是：分散液一般以弱酸或弱堿為主，與涂鍍材料復合時，會改變其本身的分散環境，導致石墨烯分散效果減弱，從而影響涂鍍層形層，降低涂鍍層厚度及防腐性能。

2 石墨烯的防腐機理

基于石墨烯獨特的結構，其具有優異的物理防腐和化學防腐作用。物理防腐機制主要歸功下列兩類機制：其一，石墨烯薄片在涂層中呈片層結構層層疊加、交錯排列和網格狀分布等，使H2O、O2和其他腐蝕介質的滲透路徑顯著延長，在涂層內部形成“迷宮式”屏蔽結構；其二，石墨烯具有大表面積和優異的疏水性，同時石墨烯尺寸很小，可以填充涂層孔洞、缺陷，形成致密的屏蔽層（如圖1所示）。

大氣環境中，腐蝕介質主要滲透到基體/涂層界面形成原電池，從而發生電化學腐蝕。因上述兩方面的貢獻，使腐蝕介質不能連續滲透到界面或延長滲透路徑；同時石墨烯優異的導電性能使基體/涂層間有良好的電化學接觸，可提供良好的電子通道，并賦予涂層良好的電化學保護性能。如圖2，石墨烯將基體失去的電子傳到涂層表面，與涂鍍層表面OH-反應生成Fe(OH)3，防止Fe3+沉淀，由于基體表面Fe3+不斷積累，從而減緩了基體的腐蝕速率。但目前石墨烯涂層的防腐機理、規律仍然不明確，石墨烯優異的導電性是否對涂層防腐效果產生影響仍有待深入研究，如：石墨烯良好的導電性使涂層表面更容易發生陰極還原反應；當水滲透到基體/涂層界面時，導電石墨烯/基體材料形成腐蝕微電池，加速基體腐蝕。

石墨烯提高無機鍍層耐蝕性能的基本機理有：石墨烯作為納米材料，可以填補金屬鍍層的微孔隙，提高了鍍層的致密度，有效阻隔腐蝕介質滲透；石墨烯為金屬微顆粒提供形核質點并細化晶粒，可提高鍍層的致密性和硬度；石墨烯具有優異的導電性能，在鍍層中無規則分布連接微顆粒，形成了良好的電子通道，并將電子輸送到金屬基體上；腐蝕中后期，石墨烯的惰性極高，仍保持優異的抗腐蝕介質滲透性和導電性能，降低了金屬微顆粒腐蝕性環境的強度，提高了金屬微顆粒的利用率。

目前研制的高性能石墨烯、GO復合防腐涂鍍層大都基于上述復合涂鍍層的防腐機理。GO與石墨烯具有同樣的優異性能，除了單獨作為防腐薄膜層，還可以作為填料改善涂鍍層的防腐性能。相比于石墨烯，GO表面含有的含氧基團，極易分散在涂鍍層中并進行化學修飾，與有機涂料基團反應生成穩定的化學鍵，形成較好的結合界面，可提高涂鍍層的耐蝕性，常用于海洋重防腐涂鍍層中。但GO表面的親水性基團會促進腐蝕介質滲透，增加涂鍍層的腐蝕速率。為了使GO在涂鍍層均勻分散，同時還兼具石墨烯優異的疏水性，通常對GO表面改性和添加還原劑還原GO，改變GO表面的結構，將親水性GO轉變為疏水性。對氧化石墨烯進行特殊官能團化可以賦予其更多性質，擴展其應用范圍，除應用于防腐涂料領域外，還可應用于導電涂料、導熱涂料、抗靜電涂料、阻燃涂料、抗菌涂料等多種領域。

3 石墨烯防腐薄膜

目前制備石墨烯薄膜的方法中，CVD應用最廣泛，其成膜質量高，薄膜面積大，進而被很多研究者直接應用于薄膜防腐領域[20]。CVD法自催化體系如圖3所示，溶解在金屬內的碳原子析出成核與碳源（CH4）經催化分解溶解到金屬表面的碳原子結合形成石墨烯[21]。Chen等人[22-23]采用CVD法在Cu和Cu/Ni合金表面制備石墨烯薄膜，并對薄膜防腐蝕性能進行測試，結果顯示，石墨烯薄膜能夠保護Cu及Cu/Ni合金不被氧化，在金屬表面形成物理屏蔽層，對基體具有較好的保護作用。為了使石墨烯薄膜對其他金屬材料起到防腐作用，Prasai等[24-25]用CVD法在Cu表面制備石墨烯薄膜，采用機械轉移法在Ni和Ag表面轉移石墨烯，其在不影響基體金屬光澤度的同時，極大地提高了基體的耐蝕性和抗氧化性，且隨著基體表面石墨烯薄膜轉移層數的增多，其耐蝕性隨之提高。

目前CVD法制備防腐薄膜的研究成果取得眾多進展[26-28]，但影響薄膜的質量因素較多，包括金屬基底的選擇要求、基底預處理、碳源種類、高溫真空環境等，不可避免地導致石墨烯缺陷的殘留，加速電化學腐蝕，縮短石墨烯薄膜保質期，制約了該種方法的廣泛應用。

4 石墨烯在金屬涂鍍技術中的應用

4.1 石墨烯有機涂料

石墨烯作為一種納米材料，添加到有機涂料中可提升聚合物的附著力、耐蝕性、力學性能等，是目前改性涂料的研究熱點，其制備方法主要包括熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法等[29-31]。

4.1.1 石墨烯/聚氨酯防腐涂料

聚氨酯（PU）是由多異氰酸酯與多羥基化合物加聚合成，是一種耐蝕性佳、強度高的有機高分子防腐涂料。二維層狀結構石墨烯納米片具有較高的強度、導電性和屏蔽性能，與PU復合可進一步提升涂料的綜合性能。Ramezanzadeh等[32]在GO表面接枝聚異氰酸酯（PI），形成酰胺和氨基甲酸酯鍵，并附著在GO表面，當功能化GO添加量為1%時，其耐蝕性能最佳。借此石墨烯表面功能化可提高在涂料中的分散性特點，Xin等人[33-35]選擇硅烷偶聯劑將GO功能化，使功能化GO與PU基質共價鏈接，用溶膠-凝膠法制備了功能化GO/ PU復合涂料，有效阻隔了水及腐蝕介質的滲入，提高了PU的防腐性能。GO表面共價鍵鍵能強，容易引入親水性基團，使石墨烯分散性質得到很大改善，但共價鍵改性一般會破壞石墨烯面內結構，改變其疏水性質，且反應過程的精確性和功能化溶劑用量不易控制。

4.1.2 石墨烯/環氧樹脂防腐涂料

環氧樹脂是以脂肪族、脂環族和芳香族等有機化合物為骨架，且具有多個環氧基團的低聚物[36]。固化后的樹脂熱塑性線性結構變成高交聯密度的三維網狀結構，容易形成微孔，導致樹脂韌性、導電性和導熱性差[37]。因此，諸多研究者在氨基硅烷的作用下，將納米粒子TiO2[38]、Al2O3[39]、SiO2[40]、Fe2O3[41]吸附在GO薄片表面上，并與環氧樹脂共混制備復合涂料，納米粒子促進GO在涂料中的分散效果的同時填充涂料微孔，提高了復合涂料的防護性能，但增大了GO薄片的厚度，降低了涂料的流動性，增大了涂層表面粗糙度。Zhang等[42]采用原位合成法制備了GO環氧樹脂復合涂料，GO在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作用下被還原得到PVP-GO，經PVP改性后的GO在環氧樹脂中具有良好的分散性和粘附性，從而降低了涂層的孔隙率。原位合成法制備過程中使用大量的有機溶劑，對人體和環境都有害。為了減少復合涂料制備過程中有機溶劑的用量，Liu等[43]將石墨烯超聲分散在聚丙烯酸鈉溶液中，再用NH4OH將分散溶液的pH值調整為8～9，并加入抗沉淀劑，與水性環氧樹脂磁力攪拌混合制備復合涂料，分散在涂層中的石墨烯作為防腐屏障，提高了復合涂料的耐蝕性。

4.1.3 石墨烯/聚苯胺防腐涂料

聚苯胺（PANI）有良好的導電性，在防腐涂料領域里應用較廣泛。為了提升PANI在鋼鐵中的腐蝕防護性能，Chang等[44]采用廉價的石墨和氨基苯甲酸在多聚磷酸和五氧化二磷混合溶液中進行?；磻缓笈c苯胺單體聚合制備復合涂料，與未添加石墨烯的PANI相比，石墨烯復合涂料具有較好的縱橫比，使復合涂層的腐蝕速率降低了一個數量級。但石墨烯表面易吸附氨基苯甲酰基團，從而改變石墨烯層狀結構。隨后Lin[45]采用原位聚合法將石墨烯分散在SDS溶液中，并與PANI混合制備石墨烯/PANI復合涂料（PAGC），SDS作為分散劑轉變了PAGC復合涂料的π-π極化結構，提升了復合涂料的導電率。值得注意的是，SDS作為摻雜劑，加入SDS后，復合涂料形貌由顆粒狀和片狀混合結構轉變為板狀結構，且影響PANI的π-π過渡結構，對其復合涂料結構和性能影響很大。張蘭河等[46]采用原位聚合-氧化還原法制備出片層間距較小的PAGC涂料，然后與水性環氧樹脂共混制備出復合防腐涂層，PANI在GO表面和層間發生聚合反應，形成插層片層狀結構，提高了PANI的抗滲透性。然而，PAGC防腐涂料制備過程對摻雜劑過度依賴，污水處理成本高且污染環境。另外，PANI與GO在摻雜劑的作用下發生聚合作用，容易形成顆粒狀PANI結構，復合涂料表面微孔增多，腐蝕介質擴散加快。

4.1.4 石墨烯/丙烯酸防腐涂料

水性丙烯酸被譽為環境友好型防腐涂料，但存在親水性差、強度低、耐熱性差、耐蝕性差等缺陷。為了進一步改善丙烯酸的性能，更好地應用于工業防腐，藍席建等人[47]利用分散劑和偶聯劑平衡納米石墨烯的表面電荷，以控制其在水性丙烯酸樹脂中均勻分散，分析發現石墨烯粒子表面電荷與偶聯劑基團發生化學鍵合和物理吸附反應，在石墨烯表面形成了有機吸附層，有效改善了石墨烯上浮團聚現象，提高了涂料的綜合防腐性能。Zhang等人[48]用霍夫曼重排法獲得氨基化GO，用氨基取代GO表面羧基，用攪拌法制備復合涂料，對其性能的測試結果表明，涂膜拉伸強度提高了3 MPa，斷裂伸長率下降了217%。吳平等人[49]在丙烯酸酯中加入磺化石墨烯，磺化石墨烯表面含有磺酸基和羥基，與聚合物表面羥基發生反應促進石墨烯分散，且復合涂料中的極性基團與基體極性基團形成化學鍵，增大附著力，當添加量為1%時，涂料的拉伸強度、導電性、導熱性達到最大。然而，石墨烯加入到丙烯酸中，會破壞聚合物原有的交聯分子，從而影響聚合物本征性能，且石墨烯顏色為黑色，致使丙烯酸涂料光澤度下降，不適合用于裝飾防腐涂料領域。

4.1.5 石墨烯/富鋅防腐涂料

富鋅底漆具有良好的屏蔽、表面鈍化和電化學防護作用，而成為大型金屬結構件最常采用的防護涂料。傳統的環氧富鋅涂層中，鋅含量高達80%，涂覆過程中鋅粉密度大、易沉降，加大了施工難度。另外，高含量的鋅粉在生產過程中存在環境污染和“鋅熱病”的威脅。因此，王清海等人[50]采用石墨烯作為孔隙填充物，制備了鋅烯復合涂料，鹽霧實驗結果發現，石墨烯含量為1%時，防腐性能最好。關迎東等人[51]利用混合溶劑作為分散劑，制備了鋅含量為48%的石墨烯復合防腐涂料，涂層中石墨烯薄片與散亂分布的鋅粉鏈接成一個微導電循環通路（圖4），石墨烯分布于鋅粉顆粒之間，起到導電搭橋作用，經2500 h中性鹽霧腐蝕后，劃痕的橫向擴展小于1 mm，未劃痕的試樣沒有發生腐蝕和涂層脫離現象，可見石墨烯顯著提高了涂層的耐鹽霧腐蝕性能。但是，由于石墨烯具有較強的吸附力，在制備過程中容易吸附在鋅粉顆粒表面，造成鋅粉顆粒分散不均勻的現象，且石墨烯較好的導電性，在基體與外界腐蝕介質之間形成導電通路，導致基體直接發生局部腐蝕，縮短了涂料的保質期，增大了防腐成本。

4.1.6 石墨烯/聚吡咯防腐涂料

聚吡咯（PPy）是一種含有大鍵的本征導電聚合物，可以改變金屬腐蝕電位，使金屬表面產生活性鈍化的防腐蝕涂料。然而，PPy的加工性及導電性較差，摻雜石墨烯可提高PPy的綜合性能，并修補石墨烯缺陷。Merisalu等人[52]采用PPy封閉銅箔表面上CVD法制備的石墨烯薄膜涂層，能夠覆蓋石墨烯薄層的缺陷，阻礙腐蝕介質擴散。Li等人[53]用PPy作為還原GO的摻雜劑，在鋼表面采用掃描循環伏安法還原氧化石墨烯和PPy，制備了新型PPy-GO復合涂料，其與H2O具有較大的接觸角，表現出良好的疏水性。另外，張蘭河等人[54]利用水合肼還原制備了還原石墨烯/PPy復合產物，PPy以石墨烯作為模版，在石墨烯表面和片層間發生聚合，使石墨烯的排列有序度提升，能夠充分填充和修復PPy涂料的孔隙缺陷，提升了涂料的致密度。但是，石墨烯與PPy的復合吸附作用力較弱，分散在聚合物中的石墨烯結構完整性較低，不能充分發揮其優異性能。

4.2 石墨烯無機物復合防腐鍍層

基于上述石墨烯能顯著提高有機涂料的耐蝕性，且石墨烯獨特的化學惰性和疏水性，許多研究學者通過電沉積和化學沉積法，將石墨烯與金屬微粉進行復合共沉積形成復合鍍層，以提升復合鍍層的防腐性能。

4.2.1 電沉積法

電沉積法通過外加電流和機械輔助配合，將分散在金屬鹽溶液中的石墨烯和金屬微粉共沉積在陰極金屬表面。Karimi等人[55]在pH值為2.5的Zn-Ni合金鍍液中，以N,N二乙基羥胺為還原劑，制備還原氧化石墨烯（rGO），機械攪拌作用下采用直流電沉積法，在陰極銅基體表面沉積復合鍍層。結果表明，與純Zn-Ni合金鍍層相比，加入GO和rGO后的鍍層晶粒細化，且耐蝕性能提高。Kumar等[56]以1 A/dm2的直流電流在普通鋼表面沉積石墨烯-鎳復合鍍層，石墨烯加入使鍍層晶粒細化，擇優取向從(220)晶面轉向(200)晶面，提升了鍍層硬度，且鍍層耐蝕性增強了1個數量級。

然而，直流電沉積在沉積過程中只有一個電極參數可調控，制備的鍍層不均勻，并出現孔洞等缺點，而脈沖電沉積法有三個參數可調節多樣波形，沉積過程通過調節參數，可獲得性能更佳的鍍層。Wang等人[57]以Ni-Co合金為基礎鍍液，采用SDS陰離子型分散劑分散GO薄片，通過階段性電流密度為2 A/dm2的脈沖電沉積法，在不銹鋼表面沉積Ni-Co-GO復合鍍層，研究結果表明，隨著鍍液GO濃度的增大，復合鍍層的耐蝕性能和力學性能更優。為了解釋石墨烯薄片在鍍層中的防腐機理，Li等人[58]以ZnCl2和GO混合溶液為基礎鍍液，在溫度為70 ℃和機械攪拌作用下，通入脈沖電流制備Zn-GO復合鍍層，通過測試表明，添加GO的復合鍍層晶粒細化，且Zn的擇優取向從(101)晶面變為(002)晶面，隨著GO含量的增大，擇優取向(002)晶面轉變趨勢更強。電阻抗測試表明，加入GO薄片的復合鍍層的耐蝕性更好，因為腐蝕初期復合鍍層表面形成了致密的鈍化層，且鍍層在腐蝕過程中形成的ZnO/GO復合物抑制了腐蝕介質擴散。然而，脈沖電沉積法在制備過程中需要借助超聲波和機械攪拌等外力輔助分散石墨烯，其沉積時間長，添加劑量大，成本高，只適用于尺寸小、表面較平整的物件，難以在實際應用中推廣。

4.2.2 化學沉積法

化學沉積法是利用還原劑將金屬離子還原沉積在基體表面形成金屬鍍層，相比于電化學沉積法，化學沉積法能在結構復雜零件和非金屬基體表面沉積厚度均勻的鍍層。Xie等人[59]將GO作為磷化促進劑，在Q235基體表面制備了GO復合磷化膜。實驗結果表明，GO在沉積過程中吸附金屬離子，并作為沉積床，促進磷酸鹽晶體成核，有效加快了磷化過程，且GO在鍍膜中起到額外屏障阻擋腐蝕介質的作用，提高了鍍膜的耐蝕性。Zhang等人[60]在堿性鍍液中，利用偶聯鋁代替還原劑，在銅表面成功制備了Fe-GO復合鍍層，鍍液中GO使復合鍍層的晶粒尺寸更小，結構更致密，提高了鐵基鍍層的耐蝕性。石墨烯代替傳統的化學鍍促進劑，提高了鍍層的耐蝕性能，降低了制備成本，且綠色環保，但鍍液中石墨烯不易均勻分散，易吸附于金屬離子表面，使金屬離子趨向惰性，導致鍍層厚度變薄。

基于上述化學沉積石墨烯復合鍍層的成功制備，且根據機械鍍沉積環境認為：鍍筒玻璃珠、工件徊轉運動的攪拌作用，促進石墨烯薄片分散；鍍筒酸洗環境的持續氧化作用，增加了石墨烯表面親水基團，提升了石墨烯薄片均勻分散；鋅粉表面和石墨烯含氧基團呈相反的電性，產生了庫侖吸引力，石墨烯吸附在鋅顆粒表面共沉積在基體表面[61-62]。

大多數金屬石墨烯為陰極性，為了能夠將石墨烯鍍層調整為陽極性，將鋅顆粒鍍層作為陰極性，提出一種新型“石墨烯-鋅”機械鍍復合鍍層新研究思路，設計出防腐性能更好的復合鍍鋅層。機械鍍復合鍍層增厚過程中GO沉積體系如圖5所示：（I）鍍筒中加入鋅顆粒和硫酸亞錫后，出現氣泡，鋅顆粒集聚成藻團狀，部分GO薄片夾雜在鋅藻團中，與藻團狀鋅顆粒共吸附沉積在基體表面，過程如(1)所示；（II）玻璃珠在鍍液中對鋅顆粒表面起到摩擦和沖擊的作用，對鋅粉顆粒產生較高的局部沖擊應力，將鋅粉顆粒沖擊到基體表面形成致密度高的鍍層，導致鋅粉球形顆粒局部發生塑性變形，同時將分散在鍍液中的GO薄片沖擊在鍍層中，在玻璃珠連續沖擊作用下，GO薄片被鋅顆粒掩埋，使GO薄片鑲嵌在鍍鋅層內部和表面，過程如(2)所示；（III）鍍液中的濃H2SO4對GO有氧化作用，GO本身具有豐富的含氧基團，包括羥基和羧基等，不僅促進了GO薄片在鍍液中的分散性，而且含氧基團中氧原子的弧對電子可以與鋅離子共享一個電子，GO表面負載的化合物與金屬粒子產生螯合作用，使GO薄片吸附在鋅粒子表面，并共沉積在鍍層中，過程如(3)所示。

5 石墨烯防腐材料發展趨勢

5.1 分散穩定性

石墨烯與防腐材料制備復合防腐材料，兼顧了石墨烯的優異性能和防腐材料的特點，但石墨烯很難均勻分散，且石墨烯的分散效果對石墨烯復合防腐材料的性能起決定性作用。目前，分散石墨烯的方法主要以物理分散法和化學改性法兩大類，但制備出沒有缺陷的石墨烯和影響石墨烯優異性能的分散液難以實現。物理分散法在停止外力輔助時容易發生團聚，并且在外力強作用力下可能會破壞石墨烯的完整結構；化學改性法在石墨烯表面功能化和改性過程中都會引入其他官能團和缺陷。由此可見，石墨烯在分散過程中結構完整性容易發生變化，在防腐材料中并沒有完全發揮石墨烯真正優異的性能，并且現在的分散技術不能應用于大規模生產的防腐材料或其他應用。因此，如何實現石墨烯分散液更穩定的同時，不改變石墨烯固有的本征性能，將成為研究者下一步著力研究的目標。

5.2 環保性

目前在金屬防腐領域中，以有機涂料、金屬鍍層為主，但隨著國家可持續發展戰略的提出和提倡發展環境友好型防腐材料，以及人們對“綠色”理念一致的認知，優化防腐材料產品性能成為當今防腐材料發展的趨勢。穩定的物理化學性能和環境友好的石墨烯，可增強傳統防腐材料的耐蝕性能。納米石墨烯可填充材料孔隙，取代涂料中大部分防腐有機物和金屬微顆粒，成膜厚度增加，使有機物易揮發的傳統涂料逐漸演變為低有機物、高固體分和低VOC排放的涂料。因此，在保證防腐材料延長基體服役壽命、減少基體防腐維護費用和工作量的同時，開發更加綠色、環保的石墨烯基復合防腐材料具有非常廣闊的發展前景。

5.3 經濟性及適用范圍

石墨烯防腐材料適用于大規模的工業應用，然而，迄今為止，石墨烯制備方法的高費用和低效率是制約其工業防腐應用的最大挑戰。隨著我國研發手段的不斷改進，制備大面積石墨烯薄膜的方法很多，為實現石墨烯規模化生產提出了更高要求：要求改進石墨烯和生長基底的分離方法，降低在分離過程中污水處理成本；要求減少石墨烯產品單層含量低、尺寸不均勻、層數多樣等問題；要求實現生產簡單化，擺脫對昂貴設備和化學藥物的依賴；要求避免對石墨烯結構的破壞，保證大面積石墨烯薄膜的完整性；要求石墨烯規模化生產技術革新和工藝改進，達到國際最先進，拓展石墨烯復合防腐材料的應用范圍。

5.4 產業標準化

石墨烯作為一種新型防腐材料強化填料，在防腐領域正處于研究與規模應用并舉階段，迫切需要制定一套完整的標準，促進石墨烯復合防腐材料的研究成果轉化。依據石墨烯本征特點及在防腐領域的研究進展，石墨烯復合防腐材料標準化以幾個方面為主：針對防腐材料應用領域里石墨烯制備方法的基本標準，有CVD法、氧化還原法、化學還原法等；復合防腐材料中石墨烯含量標準，石墨烯過多過少都會影響涂鍍層的防護性能，甚至加快基體的腐蝕速率，因此制定最理想的石墨烯添加量標準極其重要；復合防腐材料中石墨烯分散效果的標準，如在材料中石墨烯分散均勻度、結構完整度等；石墨烯復合防腐材料的制備工藝標準，如制備過程中藥物用量、制備設備、制備方法工藝、廢水處理、安全環保等；石墨烯復合防腐材料性能評價標準，如表面粗糙度、導電性能、電化學性能等。另外，石墨烯應在導電材料、醫療材料、航空材料、傳感器材料、環保材料等領域加快制定產業化標準，掌握石墨烯產品市場競爭力的主動權，提升中國制造在國際市場上的影響力。

6 結語

綜上述石墨烯優良的綜合性能，在防腐領域的發展勢頭較好，同時石墨烯防腐材料這項技術填補了國內防腐材料領域的技術空缺，推動我國新型防腐材料的生產化進程。但是石墨烯防腐材料在實踐應用中仍不景氣，沒有一致的理論基礎支撐，石墨烯的耐蝕機制和缺陷對石墨烯性能的影響仍需進一步深入研究，以指導新型防腐技術的開發。隨著研究的進一步深入，加上實驗與理論相結合，石墨烯防腐材料有望推向市場，將被廣泛應用。