一、为什么是石墨烯
1.1、防腐之路任重道远
据估计，世界上约有20%的金属材料因被腐蚀而无法回收，因此金属的腐蚀及防护问题引起了世界各国的普遍重视。有关资料显示，全世界每年因腐蚀形成的经济损失高达1万亿美元，约为地震、水灾、飓风等自然灾害形成经济损失总和的6倍。而我国每年因腐蚀形成的经济损失达1.2万亿元，约建441个鸟巢、7个三峡工程、46条青藏铁路。腐蚀所造成的损耗始终困扰着全球各行业，这其中海洋腐蚀尤为严峻。
目前，腐蚀问题主要是通过防腐涂料对工程设备进行装涂来解决，作为抵御腐蚀的“防弹衣”，防腐涂料的市场需求日益高涨。在国内，尤其是对防腐规格有着严苛要求的石油化工、管道运输、海洋工程等行业，对防腐材料及重防腐涂料的需求量始终保持着持续稳定的增长趋势。 十三五期间，我国涂料行业总产值年均增长底线在6.5%左右，到2020年，中国涂料行业总产值预计增长至5600亿人民币左右，总产量预计增长至2200万吨左右。
其中，重防腐涂料作为在相对苛刻的腐蚀环境下，还能能达到比常规防腐涂料更长保护期的涂料，被广泛应用在具有严酷腐蚀条件下的工程设备及设施中。随着国家对深海资源的勘探与开发以及“走向深海大洋”战略目标的实施，重防腐涂料将拥有更为广阔的市场体量。
经过对近年的数据分析我们发现，2010-2017年间，中国重防腐涂料市场销售收入呈波动增长趋势，增长情况大致与工业总产值类似。2017年，重防腐涂料行业实现销售收入884.65亿元，同比增长了14.0%；而到2023年，重防腐涂料行业将实现销售收入达1981亿元。
1.2、新材料之王石墨烯
石墨烯作为新型的纳米材料，有“新材料之王”的美誉，其良好的阻隔性能和屏蔽性能，以及具有极为优秀的导电、导热、超轻薄、超大比表面积等特性，让其成为改善防腐涂料性能、降低防腐涂料成本的天然功能性材料。 经过众多权威实验数据表明，石墨烯作为关键材料在防腐涂层发挥的作用尤为明显，其可以有效地阻隔外界环境、腐蚀物质等向金属基材渗透和扩散，并形成致密的保护层，具有防腐效果好，涂层厚度低，附着力高，重量轻，机械性能好，耐盐雾性能极佳，寿命长久且成本低等优势，是传统防腐涂料良好的升级替代产品。石墨烯一旦在防腐涂料中成功应用，将大大改善腐蚀耗损对经济发展产生的负面影响，同时也将成为工业防腐涂料的一个崭新的亮点和新的驱动点。 在18年发布的《2018石墨烯技术专利分析报告》中显示，在全球所有石墨烯相关技术专利总量中，中国申请专利的数量最多，达37521件，跃居世界首位，占据了66.5%的份额。政策的支持、技术的驱动、资本的进入，给中国科技创新“弯道超车”带来了新机会，同时也为中国工业防腐涂料变革迎来了新的变革机遇。
二石墨烯涂料的具体运用
2.1、纯石墨烯防腐涂料
纯石墨烯防腐涂料的应用方式通常为在金属基底表面直接形成石墨烯防腐薄膜。
1.制备方法
目前文献中涉及的纯石墨烯防腐蚀涂层的制备方法很少，其中大部分主要基于CVD法。当然，还有其他研究提到旋涂法，喷涂法和电化学还原法，然而，通过这些方法获得的纯石墨烯涂层膜质量较差且覆盖率较低。
CVD法可直接在Cu和Ni等金属表面制备纯石墨烯防腐涂层。目前，CVD方法经过发展，生长基底已扩展到更多类型的金属，如Rh，Au，Ti，Pt，Pd 和Co等。然而，其他需要防腐保护的商业金属（Mg，Al，Fe）,钢和其他相关合金通常不能承受CVD工艺所需的高温。要扩展CVD法纯石墨烯防腐涂层的应用范围，需要用机械转移法将石墨烯薄膜转移至目标金属.
机械转移扩展了CVD法石墨烯的应用范围，为了减缓褶皱和裂纹，转移过程中需要用到PMMA，热释放带或PDMS等支撑层。然而，在转移后，这些聚合物会有残留物留在纯石墨烯防腐涂层内，其可影响纯石墨烯涂层的光学性质、导热性和湿润性。为了减少残留污染物，目前已有研究采用退火处理甚至是无聚合物转移的方法。这些方法使得通过CVD法制备的纯石墨烯防腐涂层的应用更加广泛。
2.纯石墨烯防腐涂料的优化
① 增强石墨烯与金属之间的相互作用；
②优化CVD法制备工艺的参数：制备参数的许多变化会影响石墨烯的缺陷密度和耐腐蚀性的耐久性。通过实验，研究人员总结了大量的制备参数，如H2体积流量，石墨烯生长温度，冷却速率和退火时间。
② 制备多层石墨烯涂层：多层石墨烯涂层的制备是解决缺陷问题的一种简单有效的方法；
④原子层沉积（ALD）选择性地钝化石墨烯缺陷。
2.2石墨烯复合防腐涂料
纯石墨烯防腐涂料具有优异的抗腐蚀性能，但在工业应用中仍有许多局限性。一旦纯石墨烯涂层受损，金属的腐蚀就会加速。而且，在目前的技术条件下该方法难以实现工业化生产，并且制备成本相对较高。石墨烯在抗腐蚀领域的另一个主要用途涉及将石墨烯作为填料颗粒分散到涂层基质中以形成石墨烯复合抗腐蚀涂层。石墨烯复合涂层结合了石墨烯的强粘附性能和涂层基质的成膜性能，以改善涂层的整体性能。此外，石墨烯复合防腐涂料的制备方法和涂布工艺可以在传统的涂料生产工艺的基础上建立，在工业合成和应用中表现出良好的可控性和可加工性。总之，相比于纯石墨烯防腐涂料，石墨烯复合防腐涂料能够兼顾石墨烯优异的化学稳定性、快速导电性、突出的力学性能和聚合物树脂的强附着力、成膜性，可协同提高涂料的综合性能。因此，石墨烯复合防腐涂料将是发展的重点，市场潜力巨大。
1.石墨烯在复合防腐涂料中的分散均匀性问题
当石墨烯作为填料加入到聚合物涂层中，不仅可以提高涂层的耐腐蚀性，还可以赋予涂层其他优异的性能。然而，由于石墨烯具有高的表面积、强的范德华力和π-π作用使其易发生团聚，所以制备高性能石墨烯复合防腐涂料必须首先克服石墨烯的团聚，提高其在聚合物中的分散程度。
2.提高涂料中石墨烯分散性的方法
目前改善石墨烯的分散性主要有三种方法：物理分散、化学改性和纳米粒子修饰石墨烯表面。其中物理分散主要包括超声波分散、高速磁力搅拌、剪切乳化、球磨和砂磨分散等方法。但是物理分散效果不是特别明显，所以通常用来辅助后两种分散方法。 ①化学改性
通常使用偶联剂对石墨烯进行化学改性。偶联剂通常含有两种类型的官能团：亲水基团和亲有机物基团。在改性之后，石墨烯的边缘或表面接枝有长链聚合物，这使得石墨烯在涂层基质中具有更好的相容性。同时，改性石墨烯获得了聚合物的特性，这改善了石墨烯复合涂层的整体性能。
②纳米粒子（NPs）修饰石墨烯表面
为了提高石墨烯的分散性，经常使用酸氧化，这确实具有良好的效果。然而与此同时，石墨烯的结构被破坏，其固有性能也降低。在石墨烯表面上装饰NPs的方法是非常新颖的，其可以改善石墨烯的分散性并且还确保石墨烯结构的完整性和较少的石墨烯缺陷。目前，二氧化钛，氧化铝，碳酸钙，二氧化硅和四氧化三铁等NPs用于修饰石墨烯表面，可以增加石墨烯与表面之间的间距，减少团聚，改善涂层的耐受性。
3.石墨烯复合防腐涂层的优化
①有序排列石墨烯
石墨烯复合涂层的耐腐蚀性不仅受到石墨烯在涂层中的分散性的影响，而且受其取向的影响。当石墨烯有序排列时，石墨烯复合涂层对腐蚀性介质的阻挡能力得到改善。
②石墨烯性质的转换
石墨烯充当复合涂层中的填料和腐蚀性介质的屏障。然而，石墨烯充当大多数金属的阴极，因此，石墨烯的存在加速了金属腐蚀并导致电偶腐蚀。通常，聚合物不导电，并且不用担心聚合物涂层会与基材形成电化学腐蚀。然而在添加石墨烯后，聚合物涂层的电导率增加了几个数量级，并且存在电偶腐蚀的风险。
关于上述问题，有三种方法可以优化石墨烯涂层的耐腐蚀性。一种方法是通过化学改性降低石墨烯的电导率或用绝缘材料封装石墨烯以避免石墨烯和金属之间的电偶。第二种方法是将石墨烯转化为阳极，例如，向涂层中添加更活泼的阳极材料（Zn）。第三种方法是寻找具有稳定电绝缘性且与石墨烯其他性质类似的替代品。
三、总结展望
经过十几年的发展，石墨烯已逐渐成为全社会广泛关注的“明星材料”，其巨大的产业发展前景也吸引了全世界的目光。然而，石墨烯在金属防腐领域的研究和应用才刚起步，仍面临着巨大的挑战: 如何制备缺陷少的石墨烯薄膜;如何改善石墨烯基防腐涂料的分散程度等问题尚待解决。相信随着石墨烯研究的深入，问题会逐步解决，石墨烯在防腐领域中也会有更大的发展，甚至实现产业化。