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石墨烯防腐涂料研究进展(1)

发布日期:2019-08-21

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。

 

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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。

 

41.png

 

1。4 石墨烯分散技术改性

 

石墨烯片层间存在着强烈的π-π键相互作用,它会使石墨烯在聚合物基体中发生团聚,造成基体出现缝隙,从而失去阻隔水、氧等腐蚀因子的功效。因此利用一定方法,使石墨烯能够良好的分散在涂层中,对于石墨烯应用于防腐领域有着至关重要的意义。

 

常用的促进分散的方法是对石墨稀进行功能化改性,通过在石墨烯上接枝其他成分和结构来使石墨烯良好的分散。功能化石墨烯不仅可以保持其原有基本性能,而且可以赋予石墨烯新的特性 (光、磁性、疏水等),并可以根据涂层应用需求对石墨烯进行针对性的改进[13]。黄国家等[14]根据石墨烯和氧化石墨烯的化学键或官能团等本征结构,将石墨烯或氧化石墨烯的表面功能化归纳为非共价键结合改性、共价键结合改性和元素掺杂改性三种;其中非共价键结合改性又可具体分为:π-π键相互作用、氢键作用、离子键作用和静电作用;共价键结合改性包括:碳骨架功能化,官能团羟基、羧基和环氧基的功能化;元素掺杂功能化改性中的元素包括N、B、P等不同元素。

 

非共价键功能化改性是指利用石墨烯的超大比表面积特点,将其氢键、π-π键等与其它化合物进行非共价键的结合,其优点是在满足改善石墨烯的分散性的基础上,可以保持石墨烯或氧化石墨烯本体结构不被破坏,保持了石墨烯固有的性质,但存在不稳定、作用力弱的缺点,有时需要添加稳定剂或进行超声分散。共价键功能化改性是指石墨烯或氧化石墨烯表面的活性双键或其表面含氧基团与引入的基团发生化学反应生成共价键。石墨烯的骨架是稳定的多环芳烃结构,但骨架的边缘或缺陷部位具有较高的反应活性。氧化石墨烯表面含有大量的含氧基团 (羟基、羧基、环氧基),通过这些基团发生常见的化学反应,进一步改性氧化石墨烯。目前对于石墨烯分散性的表征手段尚不严谨,且费时费力,所以如何解决石墨烯分散性问题仍是今后研究的热点和难点。

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