石墨烯在涂料行業(yè)中的幾個(gè)應(yīng)用
近年來，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷增速，作為一種新型的 功能納米材料，它具有導(dǎo) 電性能卓越、化化學(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。
那么，究竟是什么樣的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯這么多的特性呢?
石墨烯的結(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)130GPa，超過最好的鋼鐵100倍。此外，石墨烯還是 良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W（/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)2.0×105cm2（/V·s），比硅的電子遷移率還要高100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。
在了解了石墨烯的結(jié)構(gòu)特性之后，具體介紹下石墨烯在涂料中的應(yīng)用~
一、石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用
目前，防腐涂料一般分為常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料，是油漆涂料中必不可少的一種涂料。水性涂料因低污染、易凈化、無刺激等特點(diǎn)，成為涂料行業(yè)大力發(fā)展的綠色環(huán)保型涂料。但水性涂料的防護(hù)效果仍比不上其對(duì)應(yīng)的溶劑型涂料，導(dǎo)致其在重防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用程度仍然不高。
石墨烯作為新興的納米材料，具有 良好的阻隔性能和屏蔽性能，同時(shí)還 兼具高導(dǎo)電、高強(qiáng)度 等性能，將石墨烯材料與傳統(tǒng)防腐涂料結(jié)合起來，石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好，涂層厚度低，附著力高，漆膜重量輕，耐鹽霧性能極佳 等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級(jí)替代品種；同時(shí)添加石墨烯后成本增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其帶來的防腐收益，因此石墨烯有望成為傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級(jí)替代品種。
石墨烯防腐機(jī)理
（1）石墨烯對(duì)小分子有很好的物理阻隔性。
（2）延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑：腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑被延長(zhǎng)，基體使用壽命增長(zhǎng)。
（3）與鋅粉形成有效的微導(dǎo)電循環(huán)通路從而有效地保證鋅粉作為陽極起到保護(hù)作用。
石墨烯本身具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)性質(zhì)，使其在物理防腐和電化學(xué)防腐方面都展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。
片層結(jié)構(gòu)可形成“迷宮式”結(jié)構(gòu)，能有效提高涂層的物理阻隔性。
由于其小尺寸效應(yīng)，可有效填充涂層缺陷，減少孔隙率，增強(qiáng)致密性。
片層結(jié)構(gòu)可以將涂層分割成許多小區(qū)間，能有效降低涂層內(nèi)應(yīng)力，消耗斷裂能量，提高涂層的柔韌性、抗沖擊性和耐磨性。
電子遷移率高，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。
二、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)，相對(duì)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(chǎng)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(shì)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 實(shí)現(xiàn)涂層導(dǎo)電性和力學(xué)性能的同步提高。
三、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：
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。
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。
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)。
四、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(zhǎng)或粘附，所以石墨烯具有很好的防污效果。
五、 石墨烯在散熱涂料中的應(yīng)用
石墨烯本身熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/（m·K），高于碳納米管和金剛石。因此用石墨烯制備散熱涂料具有高的熱導(dǎo)率，而且石墨烯高比表面積，能夠增大涂層散熱面積，可有效降低物體表面和內(nèi)部溫度。
石墨烯改性散熱涂料能夠長(zhǎng)期在高溫下工作，耐磨抗沖擊性強(qiáng)，具有很好的耐候性，耐鹽霧老化，酸堿老化，光照老化等，在各種極端環(huán)境下均可使用。可以用于需要散熱的物件，如LED散熱，工業(yè)設(shè)備散熱，汽車零部件散熱等各行業(yè)。
石墨烯涂料的主要技術(shù)難點(diǎn)
目前石墨烯的應(yīng)用方式多數(shù)是將石墨烯作為功能性填料進(jìn)行添加，人工制備的石墨烯容易再團(tuán)聚，因而無法充分發(fā)揮石墨烯單片層的優(yōu)異特性。由此帶來一個(gè)關(guān)鍵問題，就是如何解決石墨烯在涂料中的分散穩(wěn)定性。
一、解決石墨烯的選材及與水性涂料的配套問題
石墨烯的制備方法不同，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)也不盡相同。涂料是一個(gè)復(fù)雜的配套體系，各組分間協(xié)同發(fā)揮防護(hù)作用。目前關(guān)于石墨烯水性復(fù)合防腐涂料的研究趨于多樣化，不僅石墨烯的選擇多樣，而且成膜樹脂、顏填料、助劑的選擇也是多樣的，因此針對(duì)不同的環(huán)境 選擇何種石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套體系是研究的重點(diǎn)。對(duì)此，有必要建立一個(gè)石墨烯及涂料的 綜合評(píng)價(jià)體系，詳細(xì)考察不同結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)的石墨烯材料對(duì)不同組分水性涂料防護(hù)性能的影響，深入探索其作用機(jī)理，為后續(xù)水性防腐涂料專用石墨烯的選擇提供理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐依據(jù)。
二、解決石墨烯在水性涂料中的用量問題
在沒有添加石墨烯填料時(shí)，純樹脂在成膜過程易產(chǎn)生裂紋，涂層微觀多孔，腐蝕介質(zhì)很容易通過空隙、裂紋擴(kuò)散。當(dāng)添加理想含量時(shí)，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、上下交錯(cuò)排列，在涂層中能夠形成幾十到上百的致密的物理阻隔層，大大提高涂層的抗?jié)B透性。當(dāng)石墨烯填料 添加量過大時(shí)，一方面由于其表面效應(yīng)，石墨烯發(fā)生聚集，在涂層中出現(xiàn)大量的無序堆積，形成硬的團(tuán)聚體成為涂料缺陷；另一方面石墨烯含量過高造成涂料的黏度、顏料體積濃度（PVC）過高，影響涂層的成膜性和附著力，使得涂層產(chǎn)生大量的裂紋和缺陷，促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行?？傊┖窟^低或過高都不能提供很好的防護(hù)性能，因此有必要考察石墨烯用量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、黏度、附著力以及防護(hù)性能的影響，并針對(duì)特定的涂料體系選擇理想的石墨烯添加量。
三、解決石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性問題
石墨烯的高表面積、強(qiáng)范德華力和π-π 作用使其易發(fā)生團(tuán)聚，與水、有機(jī)溶劑以及聚合物間不能形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合，導(dǎo)致 其與樹脂間的界面結(jié)合力微弱，相容性差，易發(fā)生相分離，嚴(yán)重影響涂層的性能。目前研究較多的石墨烯分散技術(shù)包括化學(xué)法分散和物理法分散，即通過共價(jià)鍵及非共價(jià)鍵修飾實(shí)現(xiàn)石墨烯的功能化，石墨烯和涂料樹脂的融合主要通過共混法和聚合法等。
總結(jié)于展望
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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