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石墨烯在涂料中的六大應(yīng)用方向，你都知道嗎？

2017-10-12 09:47:07 作者：本網(wǎng)整理來源：石墨烯聯(lián)盟分享至：

一、石墨烯的定義與結(jié)構(gòu)特性

石墨烯是一種新型的由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)二維材料，是一種由碳原子以sp2 雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一層被剝離的“石墨片”，被認(rèn)為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的體相石墨的母體。理論上石墨烯是構(gòu)成其他維度碳材料的基本材料，石墨烯不僅可以覆蓋成零維的富勒烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還可以堆積成三維的石墨。

石墨烯的結(jié)構(gòu)特性

石墨烯薄膜的厚度約為1 個(gè)碳原子厚度，10 萬層石墨烯疊加起來的厚度只有1 根頭發(fā)絲的直徑，是至今為止在納米材料領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的最薄的納米材料，而且由于其吸光率很低，僅有2.3 % ，因此它的外觀基本是完全透明的。同時(shí)，石墨烯又是已知強(qiáng)度最高的納米材料之一，其強(qiáng)度可高達(dá)1 3 0 G P a，超過最好的鋼鐵1 0 0 倍。有研究報(bào)道，要拉斷相同截面的單層石墨烯所需的力是鋼材的2 0 0 倍。此外，石墨烯還是良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 3 0 0 W （/ m·K），高于金剛石和碳納米管。而且，石墨烯具有獨(dú)特的載流子特征，使其電子遷移率高達(dá)2 . 0 × 1 0 5 c m 2（/ V·s），比硅的電子遷移率還要高1 0 0 倍，且不隨溫度變化而變化。總而言之，石墨烯納米材料具有厚度超薄、硬度超高、導(dǎo)熱性優(yōu)良和電子遷移率高的結(jié)構(gòu)特性。

二、石墨烯在涂料中的應(yīng)用

因石墨烯具有高的比表面積、良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等特性，使其在涂料中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，并由此展開了大量的研究工作。

1、石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用

環(huán)氧富鋅防腐涂料

均勻分散的石墨烯可在涂層中形成物理隔絕層，起屏蔽作用。將其加入到環(huán)氧富鋅防腐涂料中，能在涂料中形成網(wǎng)狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高鋅粉的利用率，增強(qiáng)鋅粉對(duì)鋼板的陰極保護(hù)作用，達(dá)到更好的保護(hù)效果。有研究表明，在環(huán)氧富鋅防腐涂料中添加1 . 0 % 的石墨烯，可使涂料的耐鹽霧性從6 2 4 h 提高到2 5 0 0 h ，防腐性能明顯提高。

田振宇等也研究了石墨烯在環(huán)氧富鋅防腐涂料中的應(yīng)用，研究表明，在環(huán)氧富鋅防腐涂料中加入石墨烯，可使鋅的利用率明顯提高，石墨烯與鋅粉發(fā)揮了良好的協(xié)同作用，大大降低鋅粉的用量，減少施工時(shí)的粉塵污染，而且，當(dāng)石墨烯添加量為l ％時(shí)，鋅烯復(fù)合涂層的耐鹽霧性能隨石墨烯含量的增加而增強(qiáng)。

水性防腐涂料

水性防腐涂料是一種綠色環(huán)保的涂料，由于涂料中有機(jī)揮發(fā)物含量較低，成為了防腐涂料中重要的發(fā)展方向，近年來在防腐涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。水性防腐涂料采用水為分散相，表面張力大，涂膜的成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，能夠有效改善這一缺陷，但由于水自身表面張力大的特點(diǎn)，導(dǎo)致了水性防腐涂料的涂膜防腐性能總體上不及溶劑型防腐涂料。巨浩波等通過溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復(fù)合材料，研究表明，當(dāng)石墨烯用量為0 . 7 % 時(shí)，其在高分子基體中的分散狀態(tài)最佳，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了1 5 . 5 % ，斷裂伸長(zhǎng)率降低了3 . 6 % ，耐水性能提高了1 4 % ，涂膜的防腐蝕性能也得到了極大提升。

王耀文等研究發(fā)現(xiàn)，將0 . 5 % ~ 2 . 0 % 含量的石墨烯作為防腐填料添加到水性環(huán)氧樹脂涂料中，對(duì)涂層的防腐性能具有顯著的作用，隨著石墨烯含量的增加，涂層的防腐性能先增強(qiáng)后降低，石墨烯含量為1 . 0 % 的涂層防腐效果最佳。

2、石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用

石墨烯的共軛體系結(jié)構(gòu)使其電子傳輸能力強(qiáng)，具有卓越的導(dǎo)電性能，在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。賴奇等采用不同的插層劑對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，在減少了石墨烯之間團(tuán)聚的同時(shí)提高了石墨烯在樹脂中的分散穩(wěn)定性。將改性后的石墨烯添加到丙烯酸樹脂中，降低了涂層的電阻率，提高了涂層的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電介質(zhì)相比，如銀、銅、氧化鋅等，石墨烯不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有優(yōu)異的熱性能和透光性。

方岱寧等將天然石墨在氧化劑中氧化后，采用兩步化學(xué)還原法制得有機(jī)分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑、交聯(lián)劑和催化劑，經(jīng)液態(tài)共混，得到了具有優(yōu)良導(dǎo)電性和力學(xué)性的水性導(dǎo)電石墨烯涂料。M a 等用苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備出高穩(wěn)定性有機(jī)溶劑分散的石墨烯材料，然后再通過電泳沉積法制得了高導(dǎo)電性的石墨烯涂膜，其電導(dǎo)率高達(dá)1 5 0 S / c m 。

羅曉民等先用二元胺對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行氨基化改性，再采用化學(xué)還原法恢復(fù)石墨烯的共軛導(dǎo)電體系，通過石墨烯表面的—N H 與—N C O 封端的水性聚氨酯原位聚合，獲得了含石墨烯的水性聚氨酯導(dǎo)電涂料。

3 石墨烯在建筑隔熱涂料中的應(yīng)用

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高，應(yīng)用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內(nèi)部溫度，節(jié)能效果明顯。薛剛等通過回流法將石墨烯包裹在紅外發(fā)射粉末表面，成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過渡金屬氧化物的復(fù)合散熱涂料，研究表明，石墨烯可降低紅外顆粒的熱阻，相比于普通散熱涂料，含石墨烯的復(fù)合涂料紅外發(fā)射率可達(dá)到9 6 % ，節(jié)約能耗約6 .3 7 % ，具有良好的節(jié)能效果。

4 石墨烯在海洋防污涂料中的應(yīng)用

海洋防污涂料是一種特種涂料，對(duì)植物和動(dòng)物性海洋附著生物有防附作用，且有較長(zhǎng)的防污期效。H u等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯是一種優(yōu)良的抗菌材料。利用石墨烯的這一特性，于歡[將石墨烯/二氧化鈦復(fù)合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對(duì)涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響，結(jié)果表明，石墨烯的加入顯著提高了水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層防污性能得到極大的提升。

岳鑫將改性石墨烯加入到環(huán)氧樹脂中，研究其對(duì)涂層防腐防污性能的影響，研究表明，加入改性石墨烯后，因其分散更均勻，可以顯著提高涂層的防腐防污性。劉文超采用氧化石墨烯作為納米銀的載體，成功制備了氧化石墨烯/納米銀復(fù)合材料，研究表明，該復(fù)合材料除了具有良好的抑菌性外，還具備明顯的殺菌效果，可將其用于制備海洋防污涂料。

5 石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應(yīng)用

石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗?jié)B性和物理力學(xué)性能。呂生華等通過溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類聚合物與水泥復(fù)合而成的聚合物水泥防水涂料中，研究表明，因石墨烯中含有豐富的含氧基團(tuán)能夠調(diào)節(jié)水泥中水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)，因此使涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和抗?jié)B性等物理性能得到顯著提升。

6 石墨烯在阻燃涂料中的應(yīng)用

石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，使其能夠在涂料中層層疊加，從而形成致密的物理隔絕層，起到顯著的物理隔絕作用，提高涂料的阻燃性能。李洪飛等在丙烯酸膨脹阻燃涂料中加入氧化石墨烯，對(duì)其阻燃性能的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，將適量的氧化石墨烯加入到該阻燃體系中，會(huì)使涂料在受熱膨脹時(shí)誘導(dǎo)聚合物分子鏈取向以及生成“骨架”物質(zhì)而顯著增強(qiáng)碳層，發(fā)揮阻燃作用，當(dāng)添加量為2 .5 % 時(shí)效果最好，耐燃時(shí)間增加約4 2 % 。

三、小結(jié)

石墨烯是一種新型的功能納米材料，具有導(dǎo)電性能卓越、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、力學(xué)性能突出、導(dǎo)熱性高等特點(diǎn)，因而在涂料中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯在防腐、導(dǎo)電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃等功能性涂料體系中均可大幅提高涂料的綜合性能，展現(xiàn)出誘人的潛在應(yīng)用前景。目前來看，雖說石墨烯在涂料領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關(guān)鍵性技術(shù)問題需要解決，如石墨烯與涂料中樹脂的復(fù)合方法，助劑的選擇，功能性的改進(jìn)，如何將石墨烯的實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)變成實(shí)際應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機(jī)理等。相信隨著研究的持續(xù)深入和科技的快速發(fā)展，這些問題都會(huì)迎刃而解，石墨烯也必將推動(dòng)涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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