背景：石墨烯为单层平面碳原子以sp2杂化方式紧密结合在一起形成的二维原子晶体，由于其独特的结构、优异的力学性能和阻隔性能等，被认为是一种极具发展前景的新型材料，其应用领域包括电池、太阳能电池、纳米复合材料、电容器。由于石墨烯涂层的阻隔性能，已经对其进行了大量的防腐蚀研究。然而，由于其高比表面积和强范德华力，石墨烯在使用过程中很可能聚集在一起，这限制了其在许多水性化合物中的广泛应用。因此，许多研究者通过共价修饰和非共价修饰来提高石墨烯在基体中的分散性。

木质素作为可再生生物质材料，在木材中占35%的比重。利用木质素生产高附加值产品正受到越来越多的关注。为了保持石墨烯的sp2杂化，许多研究者尝试用木质素分散石墨烯，通过复配得到性能优良的复合材料。根据以往的研究，由于木质素的两亲性以及木质素与石墨烯之间的π-π相互作用，使得木质素在水中分散石墨烯成为可能。目前，在改性木质素的辅助下研究分散良好的石墨烯在水性环氧树脂中的防腐性能是一项很有意义的研究。

中国科学院纤维素化学重点实验室Shan Wang等报道了一种利用木质素制备石墨烯基水性环氧纳米复合材料的新方法。改性木质素与石墨烯之间存在非共价相互作用，提高了纳米复合材料的分散性和稳定性。将木质素/石墨烯分散体作为添加剂添加到水性环氧树脂中，增强了纳米复合材料的抗腐蚀性能。

研究内容

1.羟基化木质素(lignin- OH)的合成

为了增加木质素中羟基含量，根据之前的研究制备了lignin- OH。将10g溶解于40mL DMF的木质素、50g 48%的氢溴酸溶液加入到反应器中，在115℃下反应20h。最后，后处理得到3.22g暗黑色粉末。

2.水性石墨烯分散体的制备

在前人研究的基础上，通过改性合成了石墨烯分散体。具体方法为，将0.5 mg/mL的lignin- OH加到玻璃破碎机中。溶液pH保持在8-9，lignin- OH溶液浸泡超声15min。在lignin- OH溶液中加入40mg/ mL石墨，在25℃下搅拌15min，冰浴超声6h。将产生的分散体放置24小时，然后在1000rpm下离心30分钟。获得上清液。将lignin- OH /石墨烯分散体通过硝化纤维素膜(孔径0.22μm，直径47mm)真空过滤，并多次洗涤去除游离的lignin- OH。得到的物质再分散到水中，得到不含游离lignin- OH的饱和分散体。分散体溶解度为1.07 mg/mL。

3.防腐涂料的制备（羟基化木质素/石墨烯/水性环氧树脂）

在水性固化剂PLR736中加入一定量的饱和羟基化木质素/石墨烯分散体，混合5min，超声5min。将水性环氧树脂和少量异丙醇在搅拌下加入到上述混合物中，然后在30℃以下的冰浴中超声15分钟，形成均匀的体系。在真空干燥箱中室温脱气10min，以除去气泡。用涂布机将混合物涂在q235钢表面，50℃烘烤5h。涂层厚度控制在50±5μm，制备的涂层分别命名为0.5%羟基化木质素/石墨烯/水性环氧树脂（木质素占总质量的比例0.5%）和1%羟基化木质素/石墨烯/水性环氧树脂。为了比较，0.5%石墨烯/水性环氧树脂也以类似的方式命名。纳米复合涂层的具体制备方法如图1所示。

结果讨论

1.木质素去甲基化制备羟基化木质素

2、羟基化木质素改性石墨烯的分散研究：

3、羟基化木质素/石墨烯的形貌：

4、涂层表面形貌：

5、涂层表面形貌：

6、涂层表面形貌：

7、羟基化木质素/石墨烯涂层的缓蚀性能：

结论：

研究过程通过一种简单、绿色的生产路线制备了羟基化木质素/石墨烯/水性环氧树脂纳米复合材料。与石墨烯/水性环氧树脂和纯水性环氧树脂比较，由于羟基化木质素/石墨烯在基体中具有良好的分散性，在添加量仅为0.5%的情况下，复合材料涂层具有良好的耐腐蚀性能、热稳定性和力学性能。由于羟基化木质素/石墨烯涂层的超高阻隔性能和腐蚀路径的“迷宫效应”，提高了纳米复合材料的防腐蚀性能。所制备的纳米复合材料在金属基体防腐蚀方面具有潜在的应用价值，为木质素的高附加值利用提供了新的策略。

参考资料: 

WangS, Hu Z, Shi J, et al. Green synthesis of graphene with the assistance ofmodified lignin and its application in anticorrosive waterborne epoxycoatings[J]. Applied Surface Science, 2019,484:759-770.