作者：Geetha Anbalagan, Balachandran Subramanian, Jeeva Jothi Kumaravel
单位：印度泰米尔纳德邦金奈Saveetha大学Saveetha医学院与技术科学研究所Saveetha牙科学院及医院功能材料与材料化学实验室，邮编600 077
摘要
腐蚀和生物污损在工业和海洋环境中仍然是持续存在的挑战，导致严重的经济损失和环境问题。传统的环氧树脂涂层因其优异的附着力和化学耐受性而受到重视，但它们存在脆性、对紫外线敏感以及长期耐久性较差的缺点。通过添加基于碳的纳米材料（如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、炭黑和碳量子点），环氧树脂体系得到了革命性的改进。这些纳米填料增强了机械强度、阻隔性能和多功能性。它们通过产生活性氧物种和抑制生物膜形成来提高耐腐蚀性、抗污性和抗菌性能。然而，仍存在纳米颗粒分散、成本效益、环境安全性和可扩展性等方面的挑战。本文综述了环氧-碳复合材料的进展，重点介绍了纳米技术带来的改进及其对下一代涂层的影响，并强调了向智能、自修复和可持续系统转型的潜力，这些系统能够在各种工业应用中提供持久且环保的保护。
引言
腐蚀是一个全球性的问题，会降低材料的耐久性并造成巨大的经济和海洋资源损失[1]。在船舶和海上钻井平台等海洋环境中，腐蚀现象难以监测和控制。据估计，三分之一的设备故障是由腐蚀引起的，这导致了运营效率下降和安全问题[2]。另一个导致腐蚀的问题是微生物在材料表面形成生物膜[3]。防污剂可以抑制微生物的定殖和生物膜的形成，但许多传统防污剂存在环境毒性问题。开发有效的防污和防腐材料对于抑制微生物生长和减轻腐蚀至关重要[4]。
环氧树脂广泛用于涂层、粘合剂、建筑材料和工程应用中。环氧树脂与表面的共价和极性分子相互作用，封闭微孔和缺陷以增强阻隔性能。这种界面粘附性为防止水分和腐蚀性离子渗透提供了初步防护。然而，环氧树脂在长时间暴露于水蒸气和氧气中时具有渗透性，这限制了其长期防护效果[5]。循环热应力和机械应力会导致内部微裂纹、粘附力丧失和起泡[6]。环氧树脂在约200°C以下保持热稳定性；然而，长时间暴露于紫外线辐射和氧化环境中会导致表面黄变、粉化以及交联密度降低。在航空航天和海洋应用中，阳光和海水的共同作用会加速材料降解，使得腐蚀成为一个重大问题[7]。
固化剂与低分子量环氧单体反应，生成具有坚固三维网络结构的热固性环氧树脂[8]。这种三维交联网络结构使环氧树脂具有更好的机械强度、介电性能和化学腐蚀抵抗力[9]。复合材料的固化行为较为复杂，受多种因素影响，包括固化温度、固化速率和固化程度。这对于设计优化腐蚀环境中的复合材料结构至关重要[10]。固化后，H2O、Cl-和O2容易渗透到环氧树脂中，导致涂层出现微裂纹并降低其粘附强度[11],[12],[13]。由于孔隙率、亲水性、冲击强度低以及腐蚀性电解质的快速扩散等固有局限性，环氧树脂涂层的性能受到不利影响[14]。微生物在环氧涂层上的长期附着会促进金属污染，从而降低涂层的防腐效果[15]。研究表明，增加环氧树脂的固化程度可以使其交联网络更加致密，限制自由离子的移动性，改变偶极松弛效应，并修改介电特性[16]。因此，研究人员现在致力于开发同时具备防腐和防污功能的涂层。
将纳米颗粒掺入环氧树脂是一种常用的方法，以提升其防腐和防污性能，因为纳米颗粒在涂层基质中起到填充剂的作用[17]。特别是将基于碳的纳米颗粒（如碳纳米管[18]、石墨烯[19]、炭黑[20]）整合到环氧树脂中，可以显著改善涂层性能。这些纳米材料具有高表面积、机械强度和导电性，从而增强了防腐和防污效果。本文分析了环氧-碳涂层在防腐和防污应用中的合成方法、机制和效果（见图1）。
碳基增强材料：石墨烯、碳纳米管及其他
基于碳的纳米材料因其高表面积、可调的孔隙体积、丰富的活性位点、化学稳定性以及相对于许多金属基材料较低的生产成本，在防腐和防污技术中展现出卓越的潜力。其中，石墨烯作为一种二维sp
2杂化碳层，具有出色的阻隔性能和优异的导电性
环氧-碳体系中的防腐机制
腐蚀是一个涉及氧气、水和氢离子的电化学过程。这些离子加速电化学反应并破坏金属与涂层之间的结合。在NaCl水溶液或海水中，金属表面作为阳极，而氧气和氢离子作为阴极物种，促进氧化-还原反应。整个腐蚀过程分为多个步骤[85]。在阳极处，金属发生氧化反应
新兴的防污性能：从接触杀灭到生物膜抑制
防污并不意味着完全杀菌，而是通过防止微生物附着（抗附着）、接触时破坏细胞膜（接触杀灭）或阻碍有序菌落的形成（生物膜抑制）来发挥作用[87],[88]。由于表面光滑且表面能较低，环氧树脂的防污性能较差[89]。基于碳的纳米材料因其独特的表面化学性质而成为优秀的防污涂层
挑战、局限性与环境问题
多项研究表明，将石墨烯、碳量子点（CQDs）、碳纳米管（CNTs）和富勒烯等基于碳的纳米材料掺入环氧树脂中，可以创建一种兼具防腐和防污双重功能的保护系统。虽然实验室条件下的防污研究提供了涂层的初步评估，但仍需进一步验证其实际效果
未来展望：智能、自修复和环保型涂层
环氧-碳涂层的发展应超越基本的防腐和防污功能，朝着能够响应环境刺激的智能、自修复系统方向发展。设计能够嵌入碳纳米材料的自修复涂层，以便在出现微裂纹或局部腐蚀时触发修复机制。这类涂层利用封装的抑制剂，在环境刺激下释放出来，提供持续有效的保护
结论
将基于碳的纳米材料掺入环氧树脂中，改变了防护涂层的设计，使其从传统的被动屏障发展成为多功能和智能的保护系统。这一进步不仅得益于碳填料本身的特性，还归功于其在环氧树脂框架内的有效分散、表面功能化及协同整合。石墨烯、碳纳米管、碳量子点及相关纳米结构
作者贡献声明
Geetha Anbalagan：撰写综述与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析。
Balachandran Subramanian：撰写综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究监督、数据整理、概念构思。
Jeeva Jothi Kumaravel：撰写综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
