王鑫磊等：石墨烯基超硫水材料制备及其应用研究进展 341 3.4耐腐蚀 均有广泛应用前景 金属防腐是科学和生活关注的重点方向，涂 4结语与展望 层防护是金属防腐中简便的方法.在金属材料上 涂覆或构造超疏水表面，可以减少腐蚀性液体与 综上所述，本文基于超疏水现象，说明了石墨 金属表面的接触，隔绝水分和霉菌，起到很好的防 烯超疏水材料的发展状况，分析了超疏水理论模 护作用.在石墨烯超疏水表面的研究中也证实，添 型，综述石墨烯基超疏水材料的制备技术的国内 加石墨烯材料的超疏水涂层防腐蚀性能得到进一 外研究现状，并对其应用现状进行了分析.总体来 步提高.Sadeghian等6在铜表面制备出石墨烯基 看，石墨烯超疏水材料在油水分离、自清洁、防覆 疏水杂化涂层，与裸铜腐蚀能力对比，其防腐蚀性 冰、耐腐蚀、抗菌等方面表现出巨大的应用价值， 能提高I5倍，呈现出优异的防护性能.Asaldoust 尤其在新冠病毒全球流行的今年，石墨烯基超疏 等67通过表面改性法在氧化石墨烯表面合成了磷 水涂层的协同抗菌能力若用于口罩制作，将对 酸锌化合物，制备成石墨烯基超疏水涂层.该涂层 疫情防控产生较大积极影响目前，大规模生产 显著提高盐雾试验中低碳钢的耐蚀性能，如图12 和应用石墨烯超疏水涂层还存在一定困难，还有 所示. 很多亟待克服的技术难题，主要体现在以下几个 方面： (a) (1)在规模化生产方面，生产成本高，工艺繁 琐复杂，是阻碍石墨烯超硫水涂层大规模应用的 主要原因； (2)在长效性服役方面，石墨烯超疏水材料表 面的机械稳定性和化学稳定性仍待提高，涂层表 (c) 面易因机械磨损而失效； (3)在综合性防护方面，现代表面处理技术对 涂层综合性能的要求逐步提升，而石墨烯超疏水 表面在防护机理上的研究亚重不足，阻碍其综合 图12盐雾试验照片.纯环氧树脂168h(a)和336h(b):磷酸锌改性 防护性能的进一步提升 氧化石墨烯环氧树脂168h(c)和336h(d) 为进一步适应生产需要，研究人员可从以下 Fig.12 Visual state of salt spray test:168 h(a)and 336 h(b)of blank 几个方面着手进行探索 epoxy resin,168h(c)and 336h(d)of epoxy/GO-Znple (1)优化石墨烯基超疏水涂层的制备工艺及 3.5抗菌性 综合性能.石墨烯基超疏水涂层作为一种前景广 超疏水涂层在抗菌方面也有很大的应用，主 阔的材料，对其应用阻碍最大的还是工艺和性能 要应用在生物、医学、食品包装以及工业和船舶 问题.工艺流程要进一步简化，生产成本要进一步 设备等领域，而且应用范围正在逐步扩大.Ouadil 降低，制备时间要进一步减少，机械强度要进一步 等I68I制备出石墨烯/银纳米颗粒(PET-G/Ag)改性 增加，综合性能要进一步丰富，只有性能足够优 疏水聚氨酯织物，研究结果表明，PET-GAg改性 异，才能推动生产力发展，促进产业升级，也才能 的疏水聚氨酯织物可明显改善原织物的疏水和抑 有更多资源投入到未来探索中； 菌性能，呈现出优异防护性能，其可为医疗、纺织 (2)深化石墨烯基超疏水表面的作用机理研 和水处理等领域的抗菌材料发展提供技术支撑. 究.现阶段的研究报道中，根据实验现象得出具体 Jiang等69用激光诱导法在玻璃基板上制备了石 结论的实验性文献偏多，而对具体现象深人进行 墨烯基超疏水涂层，该涂层在阳光照射时可在2mn 机理分析的探究性报道较少，缺少足够的理论支 内将表面温度加热至55℃，并在10min内稳定在 撑，会导致超疏水表面的研究无法摆脱盲目性的 60℃，显示出高的热转化率和超疏水性能.通过 束缚，难以在更高维度上从设计角度出发制造所 超疏水和吸热升温的协同作用，可使阳光照射下 需材料； 细菌数量减少率超过99.99%，如图13，即使无阳光 (3)建立超疏水表面统一的测试及评价体系， 照射也仍能保持99.87%的细菌减少率.并且，该 超疏水表面除了以共性的水接触角、滚动角来评 涂层可快速涂覆到各种基材上，在多种抗菌领域 价外，在涂层机械强度，涂层与基体的结合强度等3.4    耐腐蚀 金属防腐是科学和生活关注的重点方向，涂 层防护是金属防腐中简便的方法. 在金属材料上 涂覆或构造超疏水表面，可以减少腐蚀性液体与 金属表面的接触，隔绝水分和霉菌，起到很好的防 护作用. 在石墨烯超疏水表面的研究中也证实，添 加石墨烯材料的超疏水涂层防腐蚀性能得到进一 步提高. Sadeghian 等[66] 在铜表面制备出石墨烯基 疏水杂化涂层，与裸铜腐蚀能力对比，其防腐蚀性 能提高 15 倍，呈现出优异的防护性能. Asaldoust 等[67] 通过表面改性法在氧化石墨烯表面合成了磷 酸锌化合物，制备成石墨烯基超疏水涂层. 该涂层 显著提高盐雾试验中低碳钢的耐蚀性能，如图 12 所示. (a) (b) (c) (d) 图 12    盐雾试验照片. 纯环氧树脂 168 h（a）和 336 h（b）；磷酸锌改性 氧化石墨烯环氧树脂 168 h（c）和 336 h（d） [66] Fig.12    Visual state of salt spray test: 168 h (a) and 336 h (b) of blank epoxy resin; 168 h (c) and 336 h (d) of epoxy/GO-ZnP[66] 3.5    抗菌性 超疏水涂层在抗菌方面也有很大的应用，主 要应用在生物、医学、食品包装以及工业和船舶 设备等领域，而且应用范围正在逐步扩大. Ouadil 等[68] 制备出石墨烯/银纳米颗粒（PET-G/Ag）改性 疏水聚氨酯织物，研究结果表明，PET-G/Ag 改性 的疏水聚氨酯织物可明显改善原织物的疏水和抑 菌性能，呈现出优异防护性能，其可为医疗、纺织 和水处理等领域的抗菌材料发展提供技术支撑. Jiang 等[69] 用激光诱导法在玻璃基板上制备了石 墨烯基超疏水涂层，该涂层在阳光照射时可在 2 min 内将表面温度加热至 55 ℃，并在 10 min 内稳定在 60 ℃，显示出高的热转化率和超疏水性能. 通过 超疏水和吸热升温的协同作用，可使阳光照射下 细菌数量减少率超过 99.99%，如图 13，即使无阳光 照射也仍能保持 99.87% 的细菌减少率. 并且，该 涂层可快速涂覆到各种基材上，在多种抗菌领域 均有广泛应用前景. 4    结语与展望 综上所述，本文基于超疏水现象，说明了石墨 烯超疏水材料的发展状况，分析了超疏水理论模 型，综述石墨烯基超疏水材料的制备技术的国内 外研究现状，并对其应用现状进行了分析. 总体来 看，石墨烯超疏水材料在油水分离、自清洁、防覆 冰、耐腐蚀、抗菌等方面表现出巨大的应用价值， 尤其在新冠病毒全球流行的今年，石墨烯基超疏 水涂层的协同抗菌能力若用于口罩制作，将对 疫情防控产生较大积极影响[25] . 目前，大规模生产 和应用石墨烯超疏水涂层还存在一定困难，还有 很多亟待克服的技术难题，主要体现在以下几个 方面： （1）在规模化生产方面，生产成本高，工艺繁 琐复杂，是阻碍石墨烯超疏水涂层大规模应用的 主要原因； （2）在长效性服役方面，石墨烯超疏水材料表 面的机械稳定性和化学稳定性仍待提高，涂层表 面易因机械磨损而失效； （3）在综合性防护方面，现代表面处理技术对 涂层综合性能的要求逐步提升，而石墨烯超疏水 表面在防护机理上的研究严重不足，阻碍其综合 防护性能的进一步提升. 为进一步适应生产需要，研究人员可从以下 几个方面着手进行探索. （1）优化石墨烯基超疏水涂层的制备工艺及 综合性能. 石墨烯基超疏水涂层作为一种前景广 阔的材料，对其应用阻碍最大的还是工艺和性能 问题. 工艺流程要进一步简化，生产成本要进一步 降低，制备时间要进一步减少，机械强度要进一步 增加，综合性能要进一步丰富，只有性能足够优 异，才能推动生产力发展，促进产业升级，也才能 有更多资源投入到未来探索中; （2）深化石墨烯基超疏水表面的作用机理研 究. 现阶段的研究报道中，根据实验现象得出具体 结论的实验性文献偏多，而对具体现象深入进行 机理分析的探究性报道较少. 缺少足够的理论支 撑，会导致超疏水表面的研究无法摆脱盲目性的 束缚，难以在更高维度上从设计角度出发制造所 需材料; （3）建立超疏水表面统一的测试及评价体系. 超疏水表面除了以共性的水接触角、滚动角来评 价外，在涂层机械强度，涂层与基体的结合强度等 王鑫磊等： 石墨烯基超疏水材料制备及其应用研究进展 · 341 ·