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石墨烯在功能涂料中的應(yīng)用特性及發(fā)展趨勢

2018-11-19 12:14:08 作者：本網(wǎng)整理來源：江南石墨烯研究院分享至：

石墨烯具有高比表面積、快速導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、突出的力學(xué)性能、高導(dǎo)熱性等性能，石墨烯作為功能性添加劑，能賦予涂料導(dǎo)電、防腐、阻燃、導(dǎo)熱和高強(qiáng)度等特殊功能，如利用石墨烯的物理阻隔性能，可提高涂料的防腐、防污、阻燃效果；利用其高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱性能，可開發(fā)導(dǎo)電涂料、散熱涂料、電磁屏蔽涂料等。

石墨烯在功能涂料中的應(yīng)用特性

石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用

相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)電物質(zhì)，石墨烯具有更加優(yōu)良的導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能，而且石墨烯比表面積大，導(dǎo)電滲流閾值低，只需很少的添加量即可達(dá)到導(dǎo)電的目的，是目前制備導(dǎo)電涂料的不二選擇。

目前，市場用量最多的導(dǎo)電填料是導(dǎo)電炭黑，一般添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以內(nèi)就能達(dá)到導(dǎo)靜電水平，成本遠(yuǎn)低于石墨烯。而石墨烯的優(yōu)勢則是添加量少，添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以內(nèi)即可達(dá)到導(dǎo)靜電水平。由于添加量少，石墨烯導(dǎo)電涂料的涂層的力學(xué)性能一般優(yōu)于炭黑導(dǎo)電涂料涂層的力學(xué)性能，因此石墨烯導(dǎo)電涂料能夠?qū)崿F(xiàn)涂層導(dǎo)電性和力學(xué)性能的同步提高。

石墨烯在防火涂料中的應(yīng)用

石墨烯在防火涂料中的阻燃機(jī)理被認(rèn)為是以下幾種阻燃作用的疊加：

一是石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)能在涂料中層層疊加，形成致密的物理隔絕層，提高阻燃性能。

二是石墨烯可以與涂料中樹脂進(jìn)行交聯(lián)復(fù)合，進(jìn)一步形成一層致密的保護(hù)膜，起到阻隔空氣的作用，從而發(fā)揮阻燃的效果。

三是在高溫下石墨烯涂層燃燒產(chǎn)生二氧化碳和水，并生成更加致密、連續(xù)的碳層，阻隔作用更強(qiáng)。

研究表明：具有片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過程中會(huì)使自身和基體分子鏈取向，進(jìn)而在聚合物碳化過程中形成骨架結(jié)構(gòu)，增加碳層強(qiáng)度，達(dá)到阻燃和抑煙的目的。此外，由于石墨烯出色的屏蔽效應(yīng)，即使發(fā)生火災(zāi)，石墨烯涂料形成的隔絕層也可以阻隔一氧化碳等有毒降解產(chǎn)物的揮發(fā)，從而降低火災(zāi)的危險(xiǎn)。

石墨烯在防污涂料中的應(yīng)用

防污涂料是涂裝于船底和海洋水下設(shè)施的一種特殊涂料，主要是通過在涂料中添加重金屬等毒料，在涂膜表面形成有毒表面層，將附著于涂膜的海洋生物殺死，達(dá)到防止海洋生物附著在船底或海洋水下設(shè)施的目的。

石墨烯具有極高的表面能和很強(qiáng)的疏水作用，微生物很難在石墨烯表面上生長或粘附，所以石墨烯具有很好的防污效果。

石墨烯在重防腐涂料中的應(yīng)用

石墨烯由于屏蔽性好，比表面積大，很容易在涂層中形成致密薄膜，對于提高防腐性能有很大幫助。研究證明，CVD生長的石墨烯可以在銅、鋁等金屬表面形成保護(hù)層，防止金屬的氧化和腐蝕。

氧化還原制備的石墨烯可以與有機(jī)樹脂混合制備復(fù)合材料涂層，發(fā)揮石墨烯的屏蔽作用和樹脂優(yōu)異的附著能力，達(dá)到長效防腐的目的，用其制備的石墨烯涂層相比于普通涂層，可以使低合金鋼的腐蝕速率降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。

除常規(guī)防腐蝕之外，石墨烯還可以與金屬中的氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，防止氫脆的發(fā)生。此外，由于石墨烯可以提高金屬耐微生物腐蝕能力，也可以用作生物環(huán)境防腐保護(hù)層。

除現(xiàn)在發(fā)展迅速的石墨烯-鋅粉防腐涂料外，單純利用石墨烯物理阻隔防腐的涂料有良好的效果。Applied Graphene Materials 公司制備的石墨烯環(huán)氧涂料，經(jīng)測試，加入石墨烯之后，涂層水蒸氣透過率降低95%，耐鹽霧試驗(yàn)時(shí)間提升5倍。說明在輕防腐領(lǐng)域，石墨烯的物理阻隔性能能夠大幅提升涂層的防腐效果。

石墨烯在高強(qiáng)度高耐候涂料中的應(yīng)用

石墨烯本身優(yōu)異的力學(xué)性能可以制備高強(qiáng)度高耐候涂料。在涂層中加入石墨烯，在干燥過程中形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠顯著提升涂層的硬度和耐磨性能，尤其是有利于解決水性聚氨酯涂料硬度低的問題。同時(shí)石墨烯還能捕捉涂層中的自由基，延長涂層壽命。

石墨烯在抗菌涂料中的應(yīng)用

納米TiO2作為光催化納米材料的一種，有抗菌滅菌作用，但它對于可見光吸收率較低，納米粒子趨向于聚集，大大降低了其滅菌作用。在含納米TiO2抗菌涂料中，引入5%以下的石墨烯，明顯提高涂料對可見光吸收率，并加強(qiáng)納米TiO2的光催化活性和抗菌、滅菌能力，使改性后的水性聚氨酯在抗菌滅菌綜合性能方面有很大提高，并且具有良好的表面性能、耐水性和力學(xué)性能。

石墨烯在功能涂料中的發(fā)展趨勢

目前石墨烯在功能性涂料方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是除了防腐涂料外，其他多數(shù)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）涂料行業(yè)是一個(gè)對成本十分敏感的行業(yè)，相比于現(xiàn)在常用的涂料填料，石墨烯的價(jià)格相對偏高，因此限制了其應(yīng)用。

（2）石墨烯表面能高，在水和涂料的常用溶劑如二甲苯、醋酸丁酯中難以分散，與此同時(shí)，石墨烯涂料的性能嚴(yán)重依賴于石墨烯在涂料中的分散程度，因此常規(guī)的簡單分散手段不適用于石墨烯涂料。

（3）目前石墨烯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，導(dǎo)致市場上石墨烯產(chǎn)品性能參差不齊，對應(yīng)用開發(fā)有很大的誤導(dǎo)。

（4）目前缺乏石墨烯涂料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用石墨烯涂料時(shí)不能發(fā)揮出石墨烯涂料的優(yōu)勢。

（5）在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常需要涂多層涂料，因此需要考慮涂層的配套性問題，石墨烯涂料由于發(fā)展時(shí)間短，缺乏相應(yīng)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，在一定程度上限制了其應(yīng)用。

基于以上原因，石墨烯涂料的發(fā)展目標(biāo)將定位于高性能功能性涂料，利用石墨烯的優(yōu)異性能實(shí)現(xiàn)涂料性能的大幅提升。目前在石墨烯功能性涂料發(fā)展中出現(xiàn)的問題會(huì)逐漸解決，石墨烯必將推動(dòng)涂料的新一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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