石墨烯在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

　　石墨烯作為前沿的新型納米材料，受到了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，多國都在爭搶石墨烯研發(fā)的龍頭地位。科學(xué)家甚至預(yù)言，石墨烯將會(huì)掀起一場席卷全球的性新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)革命。石墨烯之所以如此受歡迎是因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有高比表面積、快速導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、突出的力學(xué)性、高導(dǎo)熱性等性能。石墨烯的應(yīng)用范圍極其廣泛，從超級(jí)計(jì)算機(jī)到超級(jí)電容器，到復(fù)合材料，到涂料領(lǐng)域，石墨烯都大有作為，而應(yīng)用最快的可能就在涂料領(lǐng)域[1]。

　　1.涂料的概述：涂料一般由四種基本成分組成：顏料、成膜物質(zhì)、溶劑和助劑。

　　顏料：顏料兼顧面漆色彩和耐久性，起美觀裝飾作用，同時(shí)使涂料具有遮蓋力，并提高強(qiáng)度和附著力，改變光澤，改善流動(dòng)性和涂裝性能。顏料分著色顏料、體質(zhì)顏料和防銹顏料三類。

　　成膜物質(zhì)：涂料的基本成膜物質(zhì)是樹脂，因此樹脂也叫做基料或漆基。涂料的基本物理機(jī)械性能大都是由樹脂自身的特性所決定的。它的作用是使涂料具有一定的硬度、耐久性、彈性、附著力等，并具有一定的保護(hù)與裝飾作用，如耐水、耐酸堿、耐各種介質(zhì)、抗石擊、抗劃傷、光澤等。

　　溶劑：溶劑的作用是輔助成膜。它能溶解或稀釋油料或樹脂，降低其黏稠度便于施工，并改善涂料的流平性，避免涂膜過厚、過薄、起皺等弊病。還能對(duì)涂料的成品在儲(chǔ)存過程中起穩(wěn)定作用，不使樹脂析出或分離以及變稠、結(jié)皮等。溶劑分為揮發(fā)性溶劑和反應(yīng)性溶劑，反應(yīng)性溶劑可與涂料中的其他成分反應(yīng)，不會(huì)揮發(fā)到大氣中，有利于減少大氣中VOC的排放量，保護(hù)環(huán)境。

　　助劑：助劑的用量一般很少，但它對(duì)改善涂料的性能、延長儲(chǔ)存時(shí)間、擴(kuò)大涂料的應(yīng)用范圍、改進(jìn)和調(diào)節(jié)涂料施工的性能、保證涂裝品質(zhì)等方面都起很大的作用。根據(jù)功能來劃分，主要品種有潤濕分散劑、防潮劑、消泡劑、流平劑、增稠劑和減光劑等[2]。

　　2.石墨烯在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用：石墨烯是一種二維碳納米材料，具有優(yōu)異的熱電傳導(dǎo)性，并且還是一種*零滲透率的材料，因而其在防腐涂料、導(dǎo)電涂料、防污涂料及防火涂料等領(lǐng)域引起了人們極大的關(guān)注，具有非常好的前景[3]。

　　2.1石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用

　　2.1.1石墨烯防腐機(jī)制[4]

　?、倨帘巫饔茫簜鹘y(tǒng)涂料中的高聚物膜層都存在一定孔洞，孔洞平均直徑約在10-5~10-7cm，但水和氧的分子直徑通常只有十幾納米。石墨烯作為納米材料，可以充分發(fā)揮其小尺寸效應(yīng)填補(bǔ)到涂料的缺陷中，有效地阻隔水和氧氣等氣體原子的通過。

　?、诰徫g作用：為了增強(qiáng)涂層的防護(hù)能力會(huì)通過涂料本身成分和金屬基體進(jìn)行反應(yīng)，使金屬表面發(fā)生純化或者形成具有防護(hù)性的膜層，石墨烯能對(duì)鍍層金屬起到鈍化作用，進(jìn)一步提高其耐蝕性能。

　?、奂庸套饔茫航饘俨牧铣Ｓ玫木酆衔锿繉尤菀妆还螇?，而石墨烯優(yōu)良的機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能可以提高材料的減摩、抗磨性能。

　　2.1.2石墨烯防腐涂料：環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的機(jī)械性能，對(duì)基材的粘附性、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性好，且低成本，可以與不同的固化劑形成不同的涂料配方，這些優(yōu)點(diǎn)使得環(huán)氧涂料成為防腐涂料中常用的品種。石墨烯與硅烷類、鋁類、鐵類等其他材料復(fù)合的協(xié)同作用，使得防腐性能有很大的提升。Ramezanzadeh等制備了3－氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)接枝氧化石墨烯，再利用溶膠－凝膠法制備功能化石墨烯填充硅烷基環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。通過電化學(xué)阻抗譜(EIS)、耐鹽霧和陰極剝離試驗(yàn)研究了硅烷處理石墨烯對(duì)環(huán)氧涂料防腐性能的影響。結(jié)果表明：將功能化氧化石墨烯納米片結(jié)合到硅烷膜中增強(qiáng)了環(huán)氧涂層的腐蝕保護(hù)性能和耐陰極剝離性能。

　　聚氨酯涂料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性、耐溶劑性、耐磨損性、改進(jìn)的阻隔性能和耐沖擊性、劃痕等性能，廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天、汽車熱屏障、海洋應(yīng)用管道保護(hù)和裝飾等領(lǐng)域。Mo等使用APTES提高石墨烯分散性，從而制備功能化石墨烯/聚氨酯復(fù)合材料，其具有優(yōu)異的防腐性能。

　　聚苯胺防腐涂料因其與多種金屬之間形成致密的防腐蝕膜且價(jià)格低廉，從而在石油傳送管道、軍工產(chǎn)品、橋梁等防腐設(shè)施有較好的應(yīng)用前景。Mahato等利用原位聚合法制備出石墨烯/聚苯胺復(fù)合防腐涂料，涂層不僅為腐蝕環(huán)境提供物理屏障，而且賦予非潤濕性。復(fù)合涂層對(duì)鋼的更好保護(hù)歸因于石墨烯納米片在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的均勻分散和聚苯胺協(xié)同作用[5]。

　　此外還有石墨烯/聚乙烯醇縮丁醛防腐涂料、石墨烯/氟碳涂料等。

　　2.2石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用[6]

　　2.2.1汽車靜電噴涂淺色底漆

　　汽車生產(chǎn)過程中汽車塑件涂裝普遍采用常規(guī)空氣噴涂方式作業(yè)。大量涂料以霧化形式散逸到空氣中，不僅成本昂貴，而且會(huì)造成較為嚴(yán)重的空氣污染。靜電噴涂以電場為涂裝載體，不但涂料利用效率高，成本相對(duì)降低，有利于環(huán)境保護(hù)，還具有生產(chǎn)速度快，裝飾性能高等優(yōu)點(diǎn)。但是汽車組成構(gòu)建中有很大一部分是塑料制品，無法形成電場，所以要在加工件表面先涂一層導(dǎo)電底漆。

　　當(dāng)前汽車噴涂導(dǎo)電底漆主要通過添加導(dǎo)電炭黑使涂料具有導(dǎo)電性。由此導(dǎo)致導(dǎo)電底漆顏色較深，為了美觀，往往要再噴涂一層底漆進(jìn)行遮蓋，最后再進(jìn)行正式的靜電噴涂。這種方法工藝復(fù)雜，成本也高，故此推廣難度較大。使用石墨烯作為導(dǎo)電劑后，可以回避因?yàn)閷?dǎo)電劑帶來的底漆顏色變深問題，對(duì)于汽車靜電噴涂的改進(jìn)十分有利。數(shù)據(jù)顯示，加入2%到4%的石墨烯后，底漆涂層值為40到50，*可以滿足汽車靜電噴涂的色度要求。

　　2.2.2導(dǎo)靜電涂料[7]

　　石墨烯兼具良好的導(dǎo)電性和防腐蝕性，因而在導(dǎo)靜電涂料中應(yīng)用效果很好。加了石墨烯的導(dǎo)靜電涂料表面電阻通常在106到109之間，可以有效防止靜電導(dǎo)走現(xiàn)象發(fā)生，所以一般應(yīng)用于對(duì)防火、防爆等要求很高的場合。比如石油、鐵路、化工、交通等行業(yè)中的貯油罐、輸油管道、油輪等貯油、輸油設(shè)備的內(nèi)外壁，此外煤礦、航空、紡織、糧食等行業(yè)設(shè)備的防腐涂料一般都是導(dǎo)靜電涂料，這樣既可以最大限度防止設(shè)備腐蝕，又可以避免電荷集聚產(chǎn)生靜電引發(fā)火災(zāi)事故的問題。

　　目前，抗靜電涂料用途較為廣泛，石墨烯憑借其較高的導(dǎo)電性、強(qiáng)的力學(xué)性能等特點(diǎn)，較容易制得高性能、高強(qiáng)度的抗靜電涂料。

　　章勇通過改變改性石墨烯的添加量，制備出了表面電阻率不同的抗靜電涂層，且當(dāng)石墨烯的添加量為0.5%時(shí)，涂層的表面電阻率將下降到109Ohm/sq，滿足了抗靜電涂料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　胡楠等利用水性丙烯酸樹脂作為基料，測試不同的氧化石墨烯含量對(duì)抗靜電涂層性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)，涂層的體積電阻率達(dá)到2.604×107Ω·cm，此時(shí)沖擊性能和耐老化性能也均最佳。

　　2.3石墨烯在防火涂料中的應(yīng)用[7]

　　2.3.1石墨烯在防火涂料中的阻燃機(jī)理：

　?、偈┑亩S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。

　?、谑┛梢耘c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。

　?、墼诟邷叵率┩繉尤紵a(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)。

　　2.3.2石墨烯用于防火涂料的實(shí)例

　　李洪飛等以丙烯酸乳液為成膜物質(zhì)，鈦白粉為顏料，石墨烯作為協(xié)效阻燃/抑煙劑制備成防火涂料。研究結(jié)果表明：氧化石墨烯能有效提高涂料試樣的耐燃時(shí)間和降低峰值生煙速率，當(dāng)氧化石墨烯的添加量為0.025份時(shí)(以100份乳液記)，試樣耐燃時(shí)間可以增加59.5%，當(dāng)添加0.125份時(shí)，試樣的峰值生煙速率從0.024m2/s降至0.013m2/s。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。

　　2.4石墨烯在建筑隔熱涂料中的應(yīng)用[9]

　　石墨烯因其高導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內(nèi)部溫度，節(jié)能效果明顯。薛剛等通過回流法將石墨烯包裹在紅外發(fā)射粉末表面，成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過渡金屬氧化物的復(fù)合散熱涂料。研究表明，石墨烯可降低紅外顆粒的熱阻，相比于普通散熱涂料，含石墨烯的復(fù)合涂料紅外發(fā)射率可達(dá)到96%，節(jié)約能耗約6.37%，具有良好的節(jié)能效果。

　　2.5石墨烯在海洋防污涂料中的應(yīng)用

　　海洋防污涂料是一種特種涂料，對(duì)植物和動(dòng)物性海洋附著生物有防護(hù)作用，且有較長的防污期效。于歡將石墨烯/二氧化鈦復(fù)合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對(duì)涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響，結(jié)果表明，石墨烯的加入顯著提高了水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層防污性能得到極大的提升。

　　2.6石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應(yīng)用

　　石墨烯用于聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗?jié)B性和物理力學(xué)性能。呂生華等通過溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類聚合物與水泥復(fù)合而成的聚合物水泥防水涂料中。研究表明，因石墨烯中含有豐富的含氧基團(tuán)能夠調(diào)節(jié)水泥中水化產(chǎn)物的生長，因此使涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和抗?jié)B性等物理性能得到顯著提升。

　　3.結(jié)語：石墨烯因具有優(yōu)異的物理阻隔性、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、突出的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使其在涂料行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。性能均得到廣泛提高，這必將推動(dòng)涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪革命。然而目前仍面臨著一些關(guān)鍵的技術(shù)問題，如：如何大規(guī)模低成本的制備高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品；對(duì)石墨烯功能改性方法的創(chuàng)新；研究石墨烯在聚合物中的作用機(jī)理，為其在涂料領(lǐng)域應(yīng)用提供理論支撐伴隨著石墨烯涂料的應(yīng)用發(fā)展。我們堅(jiān)信未來在石墨烯功能性涂料發(fā)展中出現(xiàn)的這些問題會(huì)逐漸解決，在功能性涂料行業(yè)的升級(jí)發(fā)展過程中，石墨烯將發(fā)揮重要作用。