關(guān)于石墨烯與石墨烯涂料在鋼鐵材料涂裝上的應(yīng)用

劉強

摘 要：我國鐵路橋梁設(shè)施或者橋梁的附屬設(shè)施中采用了大量的鋼鐵，傳統(tǒng)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(fù)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(huán)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(guān)鍵詞：鋼鐵 涂料 石墨烯

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

引言

隨著我國高鐵大規(guī)模的建設(shè)，鐵路橋梁作為重要的基礎(chǔ)設(shè)備，其中橋梁的很多設(shè)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(shè)施在大氣環(huán)境中很容易銹蝕，特別是在高度侵蝕性環(huán)境下。材料的腐銹破壞對設(shè)備安全的危害已越來越明顯，傳統(tǒng)的防腐工藝和材料，例如在構(gòu)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(wěn)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(biāo)[1]。石墨烯涂料是一種新型的油漆材料，具有高質(zhì)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(yīng)用首先是改性溶劑型涂料，并且可保留水性涂料安全環(huán)保的優(yōu)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(yè)的發(fā)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(jīng)成為石墨烯的重要應(yīng)用研究領(lǐng)域，并且也是極具發(fā)展?jié)摿Φ哪透g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(dǎo)電好和硬度高等優(yōu)點。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)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(tǒng)環(huán)氧富鋅涂料的鋅含量，增強涂層的附著力和耐沖擊等力學(xué)性能[3]，可制備出優(yōu)于傳統(tǒng)富鋅類的防腐涂料。同時，有研究發(fā)現(xiàn)，添加石墨烯的環(huán)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(dǎo)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(xié)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(fā)現(xiàn)的力學(xué)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與基材間形成較強的附著力，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)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(yīng)用

因石墨烯具有高的比表面積、良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等特性，使其在涂料中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，并由此展開了大量的研究工作。

1.石墨烯在環(huán)氧富鋅防腐涂料中的應(yīng)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(huán)氧富鋅防腐涂料中，能在涂料中形成網(wǎng)狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(huán)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(fù)合涂料，石墨烯與鋅粉發(fā)揮了良好的協(xié)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(fù)合涂料的防腐機理分析后，結(jié)果表明，當(dāng)石墨烯添加量為l%時，鋅烯復(fù)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(yīng)用

水性防腐涂料是一種綠色環(huán)保的涂料，由于涂料中有機揮發(fā)物含量較低，成為了防腐涂料中重要的發(fā)展方向，近年來在防腐涂料領(lǐng)域中的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組裝，達到有效改善涂料的結(jié)構(gòu)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(shù)，減少污染和成本輸出。

3.石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用

以水為溶劑的水性涂料，安全環(huán)保，使得水性電磁屏蔽建筑涂料的開發(fā)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(fù)合系填料有密度小、耐腐蝕和導(dǎo)電性能穩(wěn)定等優(yōu)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(xué)性能，如導(dǎo)電率優(yōu)異、表面積大、抗拉強度高和穩(wěn)定性強等。同時，近年來石墨烯作為新型導(dǎo)電填料的研究在發(fā)達國家取得的成果令人矚目。有研究表明，以石墨烯作為導(dǎo)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(dǎo)電涂料，性能穩(wěn)定，對頻率在0.1-}-1000MHz內(nèi)的電磁波的衰減都在30dB以上，對頻率在0.1-}-10MHz內(nèi)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(yīng)用

大部分的鋼結(jié)構(gòu)常年暴漏在外，尤其烈日下導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的溫度很高，采用隔熱性能較好的涂料可以有效增加鋼結(jié)構(gòu)的生命周期。石墨烯具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，石墨烯改性涂料可以很長時間在高溫環(huán)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(dǎo)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(qū)和近紅外區(qū)的透過率都降低，而且提高了它的熱穩(wěn)定性[10]。說明氧化石墨烯應(yīng)用于建筑隔熱涂料中可有效降低建筑物的內(nèi)部溫度，并且不會污染環(huán)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(huán)保節(jié)能涂料具有很高的社會價值和經(jīng)濟價值。

5.石墨烯在海洋防污涂料中的應(yīng)用

我國既有工程和在建工程很多都在海洋環(huán)境中，目前市場上應(yīng)用的海洋防污涂料大多具有毒性，不符合生態(tài)持續(xù)發(fā)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(huán)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(fù)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(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)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(jié)構(gòu)的耐火極限。石墨烯具有優(yōu)越的氣體隔絕性能、吸附性能、超強的機械強度和熱穩(wěn)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(wěn)定性和阻燃性能，同時與其他阻燃材料協(xié)同作用能夠進一步提高氣體阻隔性能，抵御發(fā)生火災(zāi)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(jié)構(gòu)坍塌的發(fā)生[12]。

結(jié)語

石墨烯作為一種新型的功能納米材料，具有導(dǎo)電性能卓越、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、力學(xué)性能突出、導(dǎo)熱性高等特點，因而在涂料中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯在防腐、導(dǎo)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(xiàn)出誘人的潛在應(yīng)用前景，同時說明石墨烯與石墨烯涂料在鋼結(jié)構(gòu)涂裝上有很強的實踐理由。目前來看，雖說石墨烯在涂料領(lǐng)域的發(fā)展勢頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關(guān)鍵性技術(shù)問題需要解決，相信隨著研究的持續(xù)深入和科技的快速發(fā)展，這些問題都會迎刃而解，石墨烯也必將推動涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪轉(zhuǎn)型升級。