水性涂料是國(guó)家提倡發(fā)展的環(huán)境友好型涂料，但某些性能尚不及相應(yīng)的溶劑型涂料，影響其發(fā)展。石墨烯具有獨(dú)特性能，可改善水性涂料性能，促進(jìn)其發(fā)展，給涂料工作者帶來(lái)新的期待。石墨烯在涂料中應(yīng)用首先是改性溶劑型涂料，但用于改性水性涂料也有明顯進(jìn)展。改性方法可用共混法復(fù)合改性，也可用原位聚合和溶膠-凝膠技術(shù)復(fù)合法改性，還可用偶聯(lián)劑修飾，同時(shí)實(shí)行不同的功能改性。

    1 用鈦酸酯偶聯(lián)劑修飾水分散改性石墨烯

    按通用方法將石墨制成氧化石墨烯，向氧化石墨烯分散液內(nèi)分別加入鈦酸酯和水合肼，在水浴加熱法下發(fā)生反應(yīng)，使氧化石墨烯還原并同時(shí)嫁接上鈦酸酯偶聯(lián)劑分子。將獲得的混合液進(jìn)行后處理和真空干燥，得到粉末狀改性石墨烯。

    由于鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行了表面修飾，不再產(chǎn)生團(tuán)聚，故石墨烯水分散體穩(wěn)定性高，可長(zhǎng)時(shí)間貯存，適合用于復(fù)合材料及涂層材料的制備。制備工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品均能符合環(huán)保要求。

    2 石墨烯與基體樹(shù)脂共混復(fù)合水性涂料

    2.1 水性導(dǎo)電涂料

    石墨烯/聚酯樹(shù)脂復(fù)合水性導(dǎo)電涂料。用Hummers法制備氧化石墨烯，經(jīng)兩步化學(xué)還原法得到有機(jī)分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑和交聯(lián)劑、催化劑，經(jīng)液態(tài)共混，制備得到水性導(dǎo)電石墨烯涂料。該涂料具有高導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，可應(yīng)用于電磁屏蔽、抗靜電、防腐、散熱、耐磨及電子線路等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

    2.2 石墨烯改性水性環(huán)氧樹(shù)脂耐磨玻璃涂料

    石墨烯改性的耐磨水性玻璃涂料由兩組分組成，第一組分為基體成膜物，第二組分為固化劑。其中第一組分包括改性環(huán)氧樹(shù)脂20%～40%、助劑0.5%～7%、氧化石墨烯0.1%～5%、偶聯(lián)劑1%～2%，其余為水（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；第二組分是胺類固化劑。在使用前將兩組分混合，其中第二組分占混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%～30%。該涂料具有硬度高、耐磨性好、與玻璃基底親和力與附著力強(qiáng)、耐水、耐乙醇性好，且符合環(huán)保要求。另外制備方法簡(jiǎn)便，具有重要的商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。

    2.3 石墨烯改性丙烯酸酯聚合物水泥防水涂料

    用Hummers法制備的氧化石墨烯加入丙烯酸酯類聚合物乳液中，加入選用的助劑，按比例加入水泥，攪拌分散，制成氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料。該涂料顯著增加了丙烯酸酯類聚合物乳液成膜的抗拉強(qiáng)度；提高了耐水性；此外，氧化石墨烯豐富的含氧官能團(tuán)可以調(diào)節(jié)水泥水化產(chǎn)物晶體的生長(zhǎng)，提高其抗拉強(qiáng)度和韌性。故氧化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性以及物理力學(xué)性能，應(yīng)用前景廣闊。

    2.4 石墨烯改性聚氨酯樹(shù)脂復(fù)合水性涂料

    2.4.1 石墨烯/水性聚氨酯納米復(fù)合乳液

    將真空脫水的聚醚多元醇（N210）和TDI反應(yīng)制得聚氨酯預(yù)聚體，加入二羥甲基丙酸引入親水羧基，加三乙胺中和鹽基化，加入氧化石墨烯水溶液、去離子水和乙二胺進(jìn)行乳化反應(yīng)，減壓蒸餾出丙酮后，滴加維生素C溶液進(jìn)行原位還原反應(yīng)，得到石墨烯/水性聚氨酯納米復(fù)合乳膠樹(shù)脂。該乳膠樹(shù)脂可應(yīng)用于靜電防護(hù)、防腐涂層、建筑涂料等領(lǐng)域，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)便、環(huán)保、適合大規(guī)模生產(chǎn)。

    2.4.2 石墨烯/TiO2復(fù)合材料改性水性聚氨酯抗菌涂料

    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(duì)于可見(jiàn)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(duì)可見(jiàn)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。

    3 石墨烯/聚氨酯原位聚合的水性導(dǎo)電涂料

    石墨烯相比傳統(tǒng)的碳系導(dǎo)電填料（炭黑、石墨、碳納米管、碳纖維等）具有更加優(yōu)異的導(dǎo)電性及機(jī)械性能。

    用二元胺對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行氨基化改性，后用化學(xué)還原恢復(fù)石墨烯的共軛導(dǎo)電體系，利用石墨烯表面的—NH與—NCO封端的水性聚氨酯原位聚合，制得含石墨烯的水性聚氨酯導(dǎo)電涂料。

    該導(dǎo)電涂料具有防輻射、抗靜電、防腐蝕、耐磨等特性，可用于高分子材料、金屬材料、紡織材料表面等方面。

    4 用溶膠-凝膠技術(shù)制備改性石墨烯/水性聚氨酯納米復(fù)合涂料

    中國(guó)科技大學(xué)Xin Wang等于2012年在《Surface& Coatings Technology》上發(fā)表了他們的研究論文：用溶膠-凝膠技術(shù)制備改性石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合納米涂料，分3部分：

    （1）硅烷改性石墨烯納米薄膜制備。用Hummers法制備氧化石墨烯（GO），然后對(duì)GO水分散體用水合肼化學(xué)還原成GNS，再用DCC（N,N'-二環(huán)己基碳化二亞胺）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）功能改性，用超聲波分散1 h，在70 ℃下攪拌反應(yīng)24 h，經(jīng)后處理得到APTES功能改性的石墨烯納米膜f-GNS。

    （2）硅烷APTES封端的水性聚氨酯（WPU）制備。用異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚氧化丙二醇、一縮二乙二醇和三羥甲基丙烷混合多元醇合成PU預(yù)聚物，再和二羥甲基丙酸反應(yīng)，然后加APTES反應(yīng)，得到APTES封端的水性聚氨酯（WPU），產(chǎn)率86.3%，數(shù)均分子量28 600（GPC測(cè)定）。

    （3）溶膠-凝膠技術(shù)制備f-GNS/WPU納米復(fù)合涂料。借助超聲波將f-GNS粉末分散在去離子水中制成懸浮液，將APTES封端的WPU加入其中一起混合，用三乙胺調(diào)節(jié)pH值，制成f-GNS/WPU納米復(fù)合涂料。

    用1H-NMR、FTIR、XPS、GPC、AFM、HRTEM等表征了GO、f-GNS的結(jié)構(gòu)，基本驗(yàn)證了圖1所示的分子結(jié)構(gòu)式與反應(yīng)過(guò)程，及f-GNS/WPU納米復(fù)合涂料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和組成。納米復(fù)合物中的T1、T2和T3代表了單、二和三取代的硅烷鍵合，證實(shí)在APTES封端的WPU和f-GNS相鄰的硅氧烷分子之間縮聚反應(yīng)，形成共價(jià)鍵。

    圖1 用溶膠-凝膠法制備f-GNS/WPU納米復(fù)合涂料過(guò)程

    5 結(jié) 語(yǔ)

    5.1 石墨烯具有獨(dú)特性能，研發(fā)熱潮在全球突起

    石墨烯是當(dāng)今世界發(fā)現(xiàn)的“至薄”的晶體材料，厚度只有1個(gè)碳原子，也是“至堅(jiān)”材料之一，并具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性。預(yù)測(cè)在航空航天、宇宙探測(cè)、海洋開(kāi)發(fā)、國(guó)防工業(yè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面具有不可估量的應(yīng)用前景，研究熱潮在全球突起，國(guó)內(nèi)也起步不俗，發(fā)展較快。

    5.2 石墨烯在改性涂料性能方面展示了新的前景

    對(duì)石墨烯在導(dǎo)電、防腐、阻燃、導(dǎo)熱和高強(qiáng)度等功能涂料中都具有非常誘人的潛在前景。

    石墨烯與各種涂料樹(shù)脂通過(guò)物理共混、原位聚合和溶膠-凝膠技術(shù)等法復(fù)合；或用偶聯(lián)劑修飾，或采用原位聚合等工藝。這些工藝在改性水性涂料中均證實(shí)可行，且性能改進(jìn)明顯。水性涂料經(jīng)石墨烯改性，其性能有望“更上一層樓”，其進(jìn)一步發(fā)展可期。

    5.3 石墨烯改性涂料研發(fā)步伐初邁，要正確促進(jìn)石墨烯生產(chǎn)及應(yīng)用的開(kāi)發(fā)熱潮持續(xù)升溫，但應(yīng)冷靜對(duì)待。

    對(duì)生產(chǎn)企業(yè)而言，石墨烯生產(chǎn)技術(shù)是否達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)，是否符合清潔文明生產(chǎn)工藝要求，成本是否合理，有很多技術(shù)工作要做。石墨烯在涂料中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有不少研究工作和專利發(fā)表，發(fā)展勢(shì)頭較好，但不能說(shuō)“已入佳境”。石墨烯和涂料樹(shù)脂復(fù)合方法、助劑選擇、功能性改進(jìn)，研發(fā)的空間都很大。國(guó)內(nèi)發(fā)表石墨烯改性水性涂料的工作和專利多是實(shí)驗(yàn)室成果，要達(dá)到實(shí)用并產(chǎn)業(yè)化，要更多投入，有很多研發(fā)工作要做。

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