石墨烯涂料 石墨烯在涂料领域的应用

石墨烯作为一种尖端的新型纳米材料，受到了世界各国科学家的广泛关注，许多国家都在争夺石墨烯研发的领先地位。科学家甚至预测石墨烯将引发一场席卷全球的颠覆性新技术和新工业革命。石墨烯因其高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、优异的机械性能和高热导率而广受欢迎。石墨烯有广泛的应用，从超级计算机到超级电容器，到复合材料和涂层，最快的应用可能是在涂层[1]。

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涂料概述

涂料一般由四种基本成分组成:颜料、成膜物质、溶剂和添加剂。

颜料:颜料兼顾面漆的颜色和耐久性，起到美观和装饰的作用，同时使涂层具有遮盖力，提高强度和附着力，改变光泽，提高流动性和涂层性能。颜料分为三类:着色颜料、填充颜料和防锈颜料。

成膜物质:涂料的基本成膜物质是树脂，所以树脂也叫粘合剂或漆基。涂料的基本物理和机械性能主要由树脂本身的性能决定。其作用是使涂层具有一定的硬度、耐久性、弹性、附着力等。，并具有一定的保护和装饰功能，如耐水、耐酸碱、耐各种介质、耐石材冲击、耐划伤、有光泽等。

溶剂:溶剂的作用是辅助成膜。它可以溶解或稀释油或树脂，降低其粘度，方便施工，提高涂层的流平性，避免涂层过厚、过薄、起皱等缺陷。它还可以在储存过程中稳定涂料成品，防止树脂沉淀或分离、增稠、结皮等。溶剂分为挥发性溶剂和反应性溶剂。反应性溶剂可以与涂料中的其他成分发生反应，不会挥发到大气中，有利于减少大气中VOC的排放，保护环境。

添加剂:添加剂的用量一般较小，但对提高涂料的性能、延长贮存时间、扩大涂料的应用范围、改善和调整涂料的性能、保证涂料质量有很大的作用。根据功能，主要品种有润湿分散剂、防潮剂、消泡剂、流平剂、增稠剂和调光剂等。

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石墨烯在涂料中的应用

石墨烯是一种二维碳纳米材料，具有优异的热电传导率和零磁导率，因此在防腐涂料、导电涂料、防污涂料和防火涂料领域备受关注，具有非常好的前景[3]。

2.1石墨烯在防腐涂料中的应用

2.1.1石墨烯的防腐机理[4]

①屏蔽效应

传统涂料的聚合物膜上有一些孔，孔的平均直径约为10-5 ~ 10-7厘米，但水和氧的分子直径通常只有十几纳米。石墨烯作为一种纳米材料，可以充分利用其小尺寸效应填充涂层的缺陷，有效阻断水、氧等气体原子的通过。

②腐蚀抑制

为了增强涂层的保护能力，涂层的成分会与金属基体反应，净化金属表面或形成保护膜。石墨烯可以钝化被覆金属，进一步提高其耐腐蚀性。

③强化效应

金属材料中常用的聚合物涂层容易划伤，石墨烯优异的力学和摩擦学性能可以提高材料的减摩抗磨性能。

2.1.2石墨烯防腐涂层

环氧树脂具有优异的力学性能，对基材的附着力、耐腐蚀性和热稳定性好，成本低，可以用不同的固化剂形成不同的涂料配方。这些优点使环氧涂料成为最常用的防腐涂料品种。石墨烯与硅烷、铝、铁等材料的协同作用使得防腐性能大大提高。Ramezanzadeh等人制备了3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)接枝氧化石墨烯，然后采用溶胶-凝胶法制备了功能化石墨烯填充硅烷基环氧树脂复合材料。采用电化学阻抗谱、耐盐雾性和阴极剥离试验研究了硅烷处理的石墨烯对环氧涂层防腐性能的影响。结果表明，功能化氧化石墨烯纳米片与硅烷膜的结合增强了环氧涂层的防腐蚀和抗阴极剥离性能。

聚氨酯涂料表现出优异的耐腐蚀性、耐溶剂性、耐磨性、改善的阻隔性能、抗冲击性、耐刮擦性等性能，广泛应用于建筑、航空空航空航天、汽车热障、海洋管道防护和装饰等领域。Mo等人利用APTES改善石墨烯的分散性，从而制备出耐腐蚀性能优异的功能化石墨烯/聚氨酯复合材料。

聚苯胺防腐涂料因其与多种金属形成致密的防腐膜且价格低廉，在输油管道、军工产品、桥梁等防腐设施中具有良好的应用前景。Mahato等人通过原位聚合法制备了石墨烯/聚苯胺复合防腐涂层，该涂层不仅对腐蚀环境提供了物理屏障，而且还具有非润湿性。复合涂层对钢的更好保护归因于石墨烯纳米片在复合结构中的均匀分散和聚苯胺的协同作用[5]。

另外还有石墨烯/聚乙烯醇缩丁醛防腐涂料，石墨烯/氟碳涂料等等。

2.2石墨烯在导电涂层中的应用[6]

2.2.1汽车静电喷涂浅色底漆

常规空气体喷涂在汽车生产过程中广泛应用于汽车塑料件的涂装。大量涂料以雾化的形式分散到空气体中，不仅价格昂贵，而且造成严重的空气体污染。静电喷涂以电场为涂层载体，不仅涂层利用效率高，成本相对降低，有利于环保，而且生产速度快，装饰性能高。但是汽车零部件很大一部分是塑料制品，不能形成电场，所以要先在工件表面涂一层导电底漆。

目前，汽车喷涂用导电底漆主要是通过添加导电炭黑来导电。因此，导电底漆颜色较深。为了美观，经常喷一层底漆覆盖，然后进行正式的静电喷涂。这种方法工艺复杂，成本高，难以推广。使用石墨烯作为导电剂后，可以避免导电剂引起的底漆颜色变暗的问题，这对汽车静电喷涂的改进非常有利。数据显示，添加2%-4%石墨烯后，底漆涂装值为40-50，完全可以满足汽车静电喷涂的色度要求。

2.2.2静电传导涂层[7]

石墨烯具有良好的导电性和耐腐蚀性，因此在静电导电涂料中具有良好的应用效果。石墨烯导静电涂层的表面电阻通常在106 ~ 109之间，可以有效防止静电传导，因此一般用于防火防爆要求较高的场所。比如石油、铁路、化工、交通等行业的储油罐、输油管道、油轮等石油储运设备的内外壁，以及煤矿、航空空、纺织、粮食等行业的设备防腐涂料，一般都是导静电涂料，可以最大限度地防止设备腐蚀，避免因电荷积累产生静电而引发火灾事故。

目前抗静电涂料应用广泛。石墨烯具有高导电性和强机械性能，易于制备高性能、高强度的抗静电涂层。

张勇通过改变改性石墨烯的添加量制备了不同表面电阻率的抗静电涂层。当石墨烯的添加量为0.5%时，涂层的表面电阻率会降至109欧姆/平方，符合抗静电涂层的标准要求。

胡楠等以水性丙烯酸树脂为基材，测试了不同氧化石墨烯含量对抗静电涂料性能的影响。实验结果表明，当氧化石墨烯的质量分数为3.5%时，涂层的体积电阻率达到2.604×107ω·cm，抗冲击性和耐老化性也最好。

2.3石墨烯在防火涂料中的应用[7]

2.3.1石墨烯在防火涂料中的阻燃机理:

(1)石墨烯的二维层状结构可以在涂层中层层堆叠，形成致密的物理绝缘层，从而提高阻燃性能。

(2)石墨烯可以与涂层中的树脂交联复合，进一步形成致密的保护膜，起到阻隔空气体的作用，从而发挥阻燃效果。

③石墨烯涂层高温燃烧产生二氧化碳和水，形成更加致密连续的碳层，具有更强的阻隔作用。

2.3.2用于防火涂层的石墨烯示例

李鸿飞等人以丙烯酸乳液为成膜材料，二氧化钛为颜料，石墨烯为协同阻燃剂/抑烟剂制备防火涂料。结果表明，氧化石墨烯能有效提高涂层样品的阻燃时间，降低峰值发烟率。当加入0.025份氧化石墨烯(以100份乳液计)时，样品的阻燃时间可增加59.5%，当加入0.125份时，样品的峰值发烟率可从0.024m2/s降至0.013 m2/s..层状结构的氧化石墨烯在涂层热膨胀过程中会使自身和基体分子链取向，然后在聚合物碳化过程中形成骨架结构，增加碳层强度，达到阻燃抑烟的目的。

2.4石墨烯在建筑隔热涂料中的应用[9]

石墨烯，由于其导热系数高，可以有效降低建筑内部温度，节约能源。薛刚等人采用回流法将石墨烯包裹在红外发射粉体表面，成功制备了含有石墨烯、电气石和过渡金属氧化物的复合散热涂层。研究表明，石墨烯可以降低红外粒子的热阻。与普通散热涂料相比，含石墨烯复合涂料的红外发射率可达96%，能耗可节约6.37%左右，具有良好的节能效果。

2.5石墨烯在海洋防污涂料中的应用

海洋防污涂料是一种特殊的涂料，可以保护植物和动物海洋附着生物，防污期长。于欢将石墨烯/二氧化钛复合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其对涂料抗菌和表面性能的影响。结果表明，石墨烯的加入显著提高了水性聚氨酯的抗菌和杀菌性能，大大提高了涂料的防污性能。

2.6石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的应用

石墨烯用于聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗渗性和物理力学性能。陆胜华等通过溶液共混法将石墨烯添加到丙烯酸酯类聚合物与水泥复合的聚合物水泥防水涂料中。研究表明，石墨烯含有丰富的含氧基团，可以调节水泥中水化产物的生长，从而显著提高涂层的拉伸强度、断裂伸长率和抗渗性等物理性能。

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三

结论

石墨烯因其优异的物理阻隔性、高导电性和导热性、优异的机械性能和化学稳定性而被广泛应用于涂料行业。性能得到了广泛的提高，这必将推动涂料行业的新革命。但是仍然存在一些关键的技术问题，比如:如何大规模、低成本地制备高质量的石墨烯产品；石墨烯功能修饰方法的创新；随着石墨烯涂层应用的发展，研究石墨烯在聚合物中的作用机理，为其在涂层领域的应用提供理论支持。我们坚信，在石墨烯功能涂料的未来发展中，这些问题将逐步得到解决，石墨烯将在功能涂料行业的升级和发展中发挥重要作用。

参考文献:

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