近年来，因石墨烯具有高长径比、优异的疏水、导电、导热和化学稳定性能以及作为碳质固体材料 （ 一维碳纳米管、零维富勒烯 C60、三维石墨 ） 的基本结构单元，石墨烯的防腐性能及石墨烯基复合涂层材料的发展成为金属防护领域的研究热点。如常州第六元素研究院报道，石墨烯纳米片可以明显提高环氧树脂涂层的耐盐雾性能，在含20wt%Zn 粉环氧涂层中，仅添加 1wt% 石墨烯就可将其耐盐雾性能从 48h 提高到 2500 h，说明石墨烯可极大提高环氧树脂的防腐性能，并有望作为新型腐蚀抑制剂降低传统环氧富锌底漆 （ 锌粉固含量约 80wt%） 中的锌含量，提高树脂的粘结力和致密度。黄坤对比研究石墨烯环氧涂层、炭黑环氧涂层、富锌环氧涂层和玻璃鳞片环氧涂层的导电与防腐性能。发现石墨烯在环氧树脂中含量为 0.5%-1.5% 时，石墨烯环氧涂层不仅耐盐雾性能好，还显示出优异的耐酸（10%HCl 溶液 ）、耐碱 （10%NaOH 溶液 ） 和耐盐 （10%NaCl溶液 ） 性能，而富锌环氧涂层和玻璃鳞片环氧涂层在盐酸溶液中出现鼓泡，炭黑环氧涂层在酸碱盐溶液中都出现涂层隆起现象。
本文作者将从石墨烯基涂层的制备技术入手，阐述石墨烯高效物理分散技术，石墨烯基复合涂层的制备，以及石墨烯作为防腐材料强化相的耐蚀机制，提出石墨烯作为防腐材料仍需解决的关键问题，并展望石墨烯作为防腐材料的发展趋势。
我们知道单层石墨烯理论厚度只有 0.335nm，具有较大长径比，石墨烯粉体极易团聚，在制备干燥过程中往往团聚在一起，若直接加到涂料体系中，通过高速搅拌、超声等方式难于将团聚后石墨烯分散开。并且超声在涂料制备工艺中往往并不采用，若能够采用一种高效分散剂，在涂料溶剂体系中直接通过高速搅拌方式将石墨烯均匀分散，就可以使石墨烯在涂料中有较好兼容性。
石墨烯分散技术，目前报道有三种方式。① 化学分散法，通过接枝和改性，在石墨烯苯环结构边缘接枝一些极性或者非极性基团，增加石墨烯在溶剂中的溶解能力。化学分散法虽然可以提高石墨烯的溶解度，但是往往改变了石墨烯本征结构，使石墨烯优异物理化学性能改变；② 物理分散法，主要是基于石墨烯分子中的共轭结构，合成同样具有共轭性质的小分子，通过 π-π 共轭提高石墨烯在溶剂中的溶解度。优点是不破坏石墨烯分子结构，缺点是分散能力不如化学分散法；③溶剂直接分散法，往往采用一些很苯环结构的有机溶剂，利用相似相溶的原理，通过超声方法直接分散石墨烯，此方法优点是不需要加入分散剂，缺点是分散能力不高，溶剂往往有毒。
综合考虑石墨烯的三种分散方式，本课题组赵海超中科院“百人计划”研究员通过有机合成方式，制备一批石墨烯高效物理分散剂，使石墨烯在丙酮、THF、乙醇甚至水中的溶解度可提高到 5mg/L，采用物理分散方式大大提高石墨烯的分散性能，分散效果见图 2。在乙醇溶剂中，最右边分散剂 R 静置 30 天后还可以稳定分散石墨烯，说明其优异的分散性能。
石墨烯是惰性碳材料，石墨烯本身对金属基底不起到防护作用。石墨烯与金属之间存在电势差，在潮湿环境中可形成腐蚀原电池，加速金属腐蚀，因为石墨烯具有优异的电子传导性能。但是纳米石墨烯片具有优异的阻隔水汽和疏水性能，可以提高涂层致密性和疏水性能。华东理工大学章勇以十六胺做分散剂对石墨烯进行分散，然后将石墨烯分散到环氧涂层中制备抗静电涂层，发现所制备石墨烯涂层的导电渗滤阀值为 0.5wt%；台湾学者 Chang 采用纳米浇铸法制备疏水石墨烯复合环氧树脂涂层，发现石墨烯可将水滴在环氧树脂界面上的接触角从 82°提高到 127°，其优异的超疏水性能可以有效阻隔水分子及腐蚀介质向涂层内部扩散，提高涂层对金属基底的防护效果。与同样方法制备的粘土 / 环氧树脂涂层相比，分散良好的石墨烯 / 环氧涂层的防护效果更加优异；同时石墨烯可以使金属表面形成一层氧化膜并起到钝化作用。
我们课题组将宁波墨西科技提供的石墨烯浆料添加到双组份水性环氧树脂中，发现水分子在符合涂层中的扩散符合 Fick 扩散定律，水性环氧和含 0.5% 石墨烯 / 环氧涂层的扩散系数分别为5.56×10-9cm 2 /s和1.61×10-11cm 2 /s，同时也提高了水性环氧涂层的耐盐雾性能 （ 见图 4），说明石墨烯添加到环氧树脂中拥有良好的阻隔与屏蔽效应。同时发现，石墨烯还拥有良好的耐磨减磨特性，环氧涂层在干燥条件摩擦系数和磨损率均随着石墨烯的加入而降低，在海水环境中石墨烯环氧涂层的摩擦系数和磨损率比空气摩擦条件下低 （ 部分实验结果见图 5），可能是由于石墨烯层间具有较低的剪切力和低摩擦因数，石墨烯容易转移到环氧涂层对偶表面形成转移膜，直接提高石墨烯环氧涂层的摩擦磨损性能。
石墨烯是一种新型的单层片状结构的碳纳米材料，具有完美的二维纳米层状结构、优异的疏水性能和导电性能，并且是碳质固体材料的基本结构单元。虽然石墨烯基涂层的防护性能受多种因素影响，尤其石墨烯的分散状态和层数，甚至部分腐蚀学者指出石墨烯涂层可以将金属电子迅速转移至涂层表面而加速金属腐蚀，但致密的石墨烯涂层在腐蚀初期显现出优异的防护效果。对于石墨烯复合树脂涂层，均匀分散的石墨烯不仅拥有优异的疏水特性和阻隔性能，还拥有较好的电荷转移特性，可作为防静电涂层服役到油罐和输油管道的工程实践中。同时，石墨烯复合涂层在冲刷腐蚀的摩擦界面上可形成具有自润滑的连续转移膜，减小摩擦系数并提升基体树脂材料的耐磨性能。为了进一步深入了解石墨烯的防腐机制，并提高石墨烯作为纳米二维填料的防腐蚀效果，需要在以下几个方面开展深入研究工作：
作者所在课题组名称为海洋功能材料研究团队，课题组长为王立平研究员。海洋环境用重防腐涂料的研发和失效过程监测是重点实验室的重要研究方向。课题组和所在单位已建成的设备有：三联手套箱、 电化学工作站测试系统、 耐盐雾测试系统，纳米压痕仪、结合力测试仪、UMT-3 摩擦磨损试验机、傅立叶红外光谱仪（FTIR）、X 射线光电子能谱 （XPS）、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）、 场发射扫描电子显微镜 （SEM） 、紫外可见分光光度计等分析和检测设备。课题组从 2014 年 9 月开展石墨烯高效物理分散和海洋环境用石墨烯基重防腐涂料的研发工作，在如何应用好石墨烯粉体和浆料，石墨烯化学分散和高效物理分散技术研究，石墨烯与树脂兼容性研究，复合涂层失效衍化机制检测等方面进行大量尝试，2016 年 3 月课题组和芜湖春风新材料有限公司签订合作协议，共建“多功能涂层工程技术研究中心”，在石墨烯基油罐重防腐涂料、导静电涂料领域取得突破性研究进展，同时共同开发新一代绿色、环保涂料产品。作者在实验摸索和失败案例中有部分心得体会，在此与读者分享。
1）石墨烯基多层自组装体系在各种金属基底表面的可控构筑研究；2）石墨烯高效分散技术研究，包括非共价功能化、化学接枝改性和原位还原技术研究，在不改变石墨烯固有本征性能的同时，提高石墨烯在各种溶剂和树脂材料中的分散性能；3）深入开展石墨烯分散性能与石墨烯复合涂层的防护机制研究，可通过丝束电极、微电极等微区测试技术，探究金属在石墨烯涂层防护下的电流和电位分布，并通过人工加速实验，弄清石墨烯基涂层的失效衍化机制；4）石墨烯与有机树脂涂层间的腐蚀电化学机理研究，更深入地了解石墨烯在腐蚀反应过程中的物理和化学变化。5）石墨烯增强树脂涂层在极端苛刻以及特殊环境下的防护性能的研究，如高温环境、空间环境和生物液体环境等。
