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石墨烯在功能涂料中的應用特性及發展趨勢

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

石墨烯具有高比表面積、快速導電性、優異的化學穩定性、突出的力學性能、高導熱性等性能，石墨烯作為功能性添加劑，能賦予涂料導電、防腐、阻燃、導熱和高強度等特殊功能，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；利用其高導電、高導熱性能，可開發導電涂料、散熱涂料、電磁屏蔽涂料等。

石墨烯在功能涂料中的應用特性

石墨烯在導電涂料中的應用

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

目前，市場用量最多的導電填料是導電炭黑，一般添加量為質量分數10%以內就能達到導靜電水平，成本遠低于石墨烯。而石墨烯的優勢則是添加量少，添加量為質量分數1%以內即可達到導靜電水平。由于添加量少，石墨烯導電涂料的涂層的力學性能一般優于炭黑導電涂料涂層的力學性能，因此石墨烯導電涂料能夠實現涂層導電性和力學性能的同步提高。

石墨烯在防火涂料中的應用

石墨烯在防火涂料中的阻燃機理被認為是以下幾種阻燃作用的疊加：

一是石墨烯的二維片層結構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行交聯復合，進一步形成一層致密的保護膜，起到阻隔空氣的作用，從而發揮阻燃的效果。

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

研究表明：具有片層結構的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過程中會使自身和基體分子鏈取向，進而在聚合物碳化過程中形成骨架結構，增加碳層強度，達到阻燃和抑煙的目的。此外，由于石墨烯出色的屏蔽效應，即使發生火災，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物的揮發，從而降低火災的危險。

石墨烯在防污涂料中的應用

防污涂料是涂裝于船底和海洋水下設施的一種特殊涂料，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，達到防止海洋生物附著在船底或海洋水下設施的目的。

石墨烯具有極高的表面能和很強的疏水作用，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樹脂混合制備復合材料涂層，發揮石墨烯的屏蔽作用和樹脂優異的附著能力，達到長效防腐的目的，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個數量級。

除常規防腐蝕之外，石墨烯還可以與金屬中的氫發生化學反應，防止氫脆的發生。此外，由于石墨烯可以提高金屬耐微生物腐蝕能力，也可以用作生物環境防腐保護層。

除現在發展迅速的石墨烯-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氧涂料，經測試，加入石墨烯之后，涂層水蒸氣透過率降低95%，耐鹽霧試驗時間提升5倍。說明在輕防腐領域，石墨烯的物理阻隔性能能夠大幅提升涂層的防腐效果。

石墨烯在高強度高耐候涂料中的應用

石墨烯本身優異的力學性能可以制備高強度高耐候涂料。在涂層中加入石墨烯，在干燥過程中形成致密網絡結構，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、耐水性和力學性能。

石墨烯在功能涂料中的發展趨勢

目前石墨烯在功能性涂料方面的應用已經取得了很大的進展，但是除了防腐涂料外，其他多數研究還停留在實驗室階段。主要原因有以下幾個方面：

（1）涂料行業是一個對成本十分敏感的行業，相比于現在常用的涂料填料，石墨烯的價格相對偏高，因此限制了其應用。

（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，石墨烯涂料的性能嚴重依賴于石墨烯在涂料中的分散程度，因此常規的簡單分散手段不適用于石墨烯涂料。

（3）目前石墨烯相關標準缺乏，導致市場上石墨烯產品性能參差不齊，對應用開發有很大的誤導。

（4）目前缺乏石墨烯涂料應用標準，按照現在的標準在應用石墨烯涂料時不能發揮出石墨烯涂料的優勢。

（5）在實際應用過程中，通常需要涂多層涂料，因此需要考慮涂層的配套性問題，石墨烯涂料由于發展時間短，缺乏相應的驗證數據，在一定程度上限制了其應用。

基于以上原因，石墨烯涂料的發展目標將定位于高性能功能性涂料，利用石墨烯的優異性能實現涂料性能的大幅提升。目前在石墨烯功能性涂料發展中出現的問題會逐漸解決，石墨烯必將推動涂料的新一輪產業轉型升級。

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責任編輯：韓鑫

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