石墨烯在涂料行業(yè)中的幾個應用
近年來，石墨烯產業(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 電性能卓越、化化學穩(wěn)定性優(yōu)異、力學性能突出、導熱性高 等特點，因而在涂料中有著廣泛的應用。石墨烯在防腐、導電、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，展現出誘人的潛在應用前景。
那么，究竟是什么樣的結構賦予了石墨烯這么多的特性呢?
石墨烯的結構特性
石墨烯是一種新型的由碳原子構成的單層片狀結構二維材料，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域中發(fā)現的 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，石墨烯又是已知 強度最高 的納米材料之一，其強度可高達130GPa，超過最好的鋼鐵100倍。此外，石墨烯還是 良好的導熱體，導熱系數高達5300W（/m·K），高于金剛石和碳納米管。而且，石墨烯具有獨特的 載流子特征，使其電子遷移率高達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?？偠灾?，石墨烯納米材料具有 厚度超薄、硬度超高、導熱性優(yōu)良和電子遷移率高的結構特性。
在了解了石墨烯的結構特性之后，具體介紹下石墨烯在涂料中的應用~
一、石墨烯在防腐涂料中的應用
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，成為涂料行業(yè)大力發(fā)展的綠色環(huán)保型涂料。但水性涂料的防護效果仍比不上其對應的溶劑型涂料，導致其在重防腐領域中的應用程度仍然不高。
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，同時還 兼具高導電、高強度 等性能，將石墨烯材料與傳統(tǒng)防腐涂料結合起來，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，是傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級替代品種；同時添加石墨烯后成本增加遠遠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替代品種。
石墨烯防腐機理
（1）石墨烯對小分子有很好的物理阻隔性。
（2）延長腐蝕介質的擴散路徑：腐蝕介質的擴散路徑被延長，基體使用壽命增長。
（3）與鋅粉形成有效的微導電循環(huán)通路從而有效地保證鋅粉作為陽極起到保護作用。
石墨烯本身具有的獨特結構性質，使其在物理防腐和電化學防腐方面都展現出一定的優(yōu)勢。
片層結構可形成“迷宮式”結構，能有效提高涂層的物理阻隔性。
由于其小尺寸效應，可有效填充涂層缺陷，減少孔隙率，增強致密性。
片層結構可以將涂層分割成許多小區(qū)間，能有效降低涂層內應力，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，表現出良好的導電性。
二、石墨烯在導電涂料中的應用
石墨烯的 共軛體系結構使其電子傳輸能力強，相對于傳統(tǒng)的導電物質，石墨烯具有更加 優(yōu)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(yōu)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(yōu)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。
三、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：
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。
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(fā)揮阻燃的效果。
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(xù)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(fā)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(fā)，從而降低火災的危險。
四、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。
五、 石墨烯在散熱涂料中的應用
石墨烯本身熱導率高達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部溫度。
石墨烯改性散熱涂料能夠長期在高溫下工作，耐磨抗沖擊性強，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?？梢杂糜谛枰岬奈锛鏛ED散熱，工業(yè)設備散熱，汽車零部件散熱等各行業(yè)。
石墨烯涂料的主要技術難點
目前石墨烯的應用方式多數是將石墨烯作為功能性填料進行添加，人工制備的石墨烯容易再團聚，因而無法充分發(fā)揮石墨烯單片層的優(yōu)異特性。由此帶來一個關鍵問題，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，其物理結構、化學性質也不盡相同。涂料是一個復雜的配套體系，各組分間協同發(fā)揮防護作用。目前關于石墨烯水性復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。對此，有必要建立一個石墨烯及涂料的 綜合評價體系，詳細考察不同結構和物化性質的石墨烯材料對不同組分水性涂料防護性能的影響，深入探索其作用機理，為后續(xù)水性防腐涂料專用石墨烯的選擇提供理論和實驗實踐依據。
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，純樹脂在成膜過程易產生裂紋，涂層微觀多孔，腐蝕介質很容易通過空隙、裂紋擴散。當添加理想含量時，石墨烯的片層結構層層疊加、上下交錯排列，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。當石墨烯填料 添加量過大時，一方面由于其表面效應，石墨烯發(fā)生聚集，在涂層中出現大量的無序堆積，形成硬的團聚體成為涂料缺陷；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，使得涂層產生大量的裂紋和缺陷，促進腐蝕的進行?？傊?，石墨烯含量過低或過高都不能提供很好的防護性能，因此有必要考察石墨烯用量對涂層微觀結構、黏度、附著力以及防護性能的影響，并針對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、強范德華力和π-π 作用使其易發(fā)生團聚，與水、有機溶劑以及聚合物間不能形成穩(wěn)定的化學鍵結合，導致 其與樹脂間的界面結合力微弱，相容性差，易發(fā)生相分離，嚴重影響涂層的性能。目前研究較多的石墨烯分散技術包括化學法分散和物理法分散，即通過共價鍵及非共價鍵修飾實現石墨烯的功能化，石墨烯和涂料樹脂的融合主要通過共混法和聚合法等。
總結于展望
目前來看，雖說石墨烯在涂料領域的發(fā)展勢頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關鍵性技術問題需要解決，如石墨烯與涂料中樹脂的復合方法，助劑的選擇，功能性的改進，如何將石墨烯的實驗室研究成果轉變成實際應用并實現產業(yè)化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機理等。相信隨著研究的持續(xù)深入和科技的快速發(fā)展，這些問題都會迎刃而解，石墨烯也必將推動涂料產業(yè)的新一輪轉型升級。
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