【水云课堂】解开水性石墨烯防腐涂料的秘密

在地球上每1分半钟就会有1吨的钢铁被腐蚀成铁锈。这里有必要强调下，不是有一吨钢铁会被腐蚀，而是腐蚀的铁锈有一吨。

我们的建筑、道路、机械、桥梁、船舶等等，凡是使用钢材的地方，只要暴露于外界之中，铁和空气中的氧气、水分子、盐、碱、酸等接触，氧化成三氧化二铁，便是我们俗称的生锈，造成了腐蚀的现象。

常见的腐蚀场景

腐蚀数据

在中国，每年有接近30%的钢铁因腐蚀而报废；

全世界每年由钢铁腐蚀造成的经济损失约为1万亿美元，这个损失数据还在逐年攀升。于是，为了最大程度减少腐蚀带来的损失，防腐涂料应运而生。

防腐蚀涂料涂布于物体表面，在一定的条件下形成薄膜而起保护、装潢或其他特殊功能，从而减缓材料在日晒、酸碱、高温等环境下的被腐蚀速度，延长物体的使用寿命。

防腐涂料经石墨烯改性后，机械力学性能、化学稳定性及防腐性能等均可得到提升。

国家政策扶持

2017年，工业和信息化部印发《新材料产业发展指南》，提出发展前沿新材料，其中石墨烯作为发展重点之一，要求围绕防腐涂料等应用领域，重点发展利用石墨烯改性的功能涂料。

2020年12月，最新发布的《中国制造业重点领域技术创新绿皮书——技术路线图（2019）》中提出推动石墨烯在防腐涂料等领域规模化应用，实现石墨烯在高品质防腐涂料等核心技术突破及规模化应用，以及石墨烯等新型涂层材料在电工产业的应用。

如今，国家将石墨烯改性防腐涂料列入了“十三五”规划以及工信部重点发展的新材料清单，并将其作为重点研发项目，大力推进我国石墨烯改性防腐涂料的发展。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，可是它跟防腐涂料有什么关系呢？

为什么加入传统的防腐涂料中会有如此好的性能加持呢？接下来让我们一起一探究竟。

石墨烯防腐涂料原理机制

01
“屏蔽阻隔机理”和“迷宫效应”

由于纳米级的石墨烯的片层结构是层层叠加、交错排列的，因此在涂层中可形成“迷宫式”屏蔽结构，形成一道屏蔽阻隔。

这样，水性石墨烯防腐涂料便能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散，提高涂层的物理阻隔性。同时，还可延长腐蚀介质的渗透扩散路径；从而提供涂层的抗渗透性和使用寿命。

02
“导电搭桥”机理

被保护的金属要想达到阴极保护作用，就必须要求外部防腐涂层中含有大量的导电粒子锌粉，从而形成顺畅的微导电通路，在腐蚀介质的侵蚀下，锌粉发生氧化反应，失去电子。

所以目前的传统防腐涂料中，绝大多数底漆以锌粉作为添加剂。然而，随着腐蚀时间的延长，涂层中的锌粉由于被氧化致使导电性下降，便有可能阻断电子传输路径，在失去阴极保护的情况下，导致涂料失去防腐性能。

这时，如果将石墨烯添加进锌粉底漆中，由于石墨烯的导电性能极佳，便会与锌粉形成良好的导电网络，即让石墨烯来实现导电搭桥，从而实现涂料在低锌条件下仍然具有防腐功能。

什么是阴极保护？

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

03
石墨烯“小尺寸效应”

一般的防腐涂层表面并不是一个完美的物理屏障，因为涂层在成膜过程中溶剂的挥发可能导致涂层内产生微孔和针孔等缺陷，这使得涂层对腐蚀介质存在渗透性。

石墨烯作为一种纳米材料，加入改性防腐涂料后，便可填充到涂层原有的微小的缺陷当中，减少涂层孔隙率，增强涂层致密性，进一步延缓或阻止腐蚀因子浸入到基体表面。

04
石墨烯的“疏水性”

由于石墨烯具有很强的疏水性，水性石墨烯涂料能够在涂层表面形成一层隔水层，于是空气中的水分子便不易进入到金属表面，从而增强对金属的防护性，使之不被氧化。

05
增加金属的散热性

纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。因此，在防腐涂料中加入石墨烯，可提升涂料的导热性能。

当涂层漆膜中含有石墨烯，漆膜的散热面积便大幅增加，帮助物体内部的热量的快速散发，避免因高温造成的耐腐蚀性、耐候性下降。

06
增加图层的稳定性

在防腐涂料中添加石墨烯后，漆膜在固化过程中就会形成网状结构，这可极大增强漆膜和基材的粘合性。让漆层表面更加稳定，且硬度更高。

水云烯唯——水性石墨烯防腐涂料

石墨烯防腐涂料包括石墨烯环氧树脂防腐涂料、石墨烯聚苯胺防腐涂料、石墨烯聚氨酯防腐涂料等，其中水性石墨烯树脂防腐涂料又是一项新的技术革命。

水云烯唯产品属于水性石墨烯涂料，于2015年成功研制成功，该涂料的防腐性能（特别是耐酸性）与其他水性涂料相比得到了大幅提高，同时防腐涂附着力、机械性能强度也得到了大幅提升。这是一款同时具备优良环保性能和防腐性能的水性涂料。

推荐用途

水性石墨烯防腐涂料适用于铁路车辆、桥梁码头钢结构、造船、重型机械、电力机械、矿山机械、石油化工设备、水工钢铁结构等钢结构的防腐、防锈。也可应用于集装箱，汽车发动机，PET塑料泡沫板材等领域。