石墨烯在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用探析

摘 要：自從石墨烯誕生之日起，就受到世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。石墨烯作為碳單質(zhì)的第三種形式，以其優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能、電性能和熱力學(xué)性能，在涂料行業(yè)一經(jīng)使用，就有著十分突出的優(yōu)異表現(xiàn)。文章圍繞石墨烯在涂料領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行探討，主要介紹了石墨烯在導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、導(dǎo)熱涂料和高強(qiáng)度涂料方面的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：石墨烯；涂料；導(dǎo)電；防腐

引言

使用工具是人類區(qū)別于其他動物的根本特征。人類的歷史本質(zhì)上是人類使用工具改造自然、認(rèn)知世界的過程。優(yōu)質(zhì)的材料是工具發(fā)展的主要動力之一。許多次人類科學(xué)乃至社會上的重大進(jìn)步，都是與新材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明密切相關(guān)。石墨烯是21世紀(jì)重要的新型材料，其由多層片狀結(jié)構(gòu)組成，每層結(jié)構(gòu)都是由碳原子經(jīng)過sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格平面薄膜。石墨烯的理論已經(jīng)提出了一段時間，但一直到2004年英國物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，才在實驗室中人工分離出石墨烯單體，從而證實了石墨烯的存在。兩位學(xué)者也因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是納米材料中厚度最小、強(qiáng)度最大的種類。由于吸光率很低，只有2.3%，所以外觀幾乎是完全透明的。石墨烯物理性能優(yōu)異，導(dǎo)熱性能比碳納米管和金剛石還高，為5300W/m·K，室溫環(huán)境下其電子遷移率大于15000cm2/vs，超過納米碳管或硅晶體。石墨烯是當(dāng)前世界上已知材料中導(dǎo)電性最好的材料，電阻率僅為10-8Ω·cm，低于銅或銀。綜上所述，石墨烯兼具比表面積大、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問世，就受到世界各國的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)階段我國已經(jīng)初步形成石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)。石墨烯應(yīng)用范圍十分廣闊，涂料是目前石墨烯眾多應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要組成部分。憑借各種優(yōu)越性能，石墨烯在導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、導(dǎo)熱涂料和高強(qiáng)度涂料等方面都有著非常深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。下面就對石墨烯在涂料領(lǐng)域中的主要應(yīng)用進(jìn)行一下簡要介紹與分析。

1 石墨烯在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 汽車靜電噴涂淺色底漆

汽車是重要的工業(yè)產(chǎn)品。作為汽車構(gòu)成系統(tǒng)中的有機(jī)組成部分，汽車塑件具有很好的市場空間。當(dāng)前汽車塑件涂裝普遍采用常規(guī)空氣噴涂方式作業(yè)。這種噴漆工業(yè)是以噴槍為工具，使用壓縮空氣為載體進(jìn)行生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，大量涂料以霧化形式散逸到空氣中，不僅成本昂貴，而且會造成較為嚴(yán)重的空氣污染。基于這個原因，汽車及涂料企業(yè)一直把更具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性的新型涂料作為汽車涂料的主要開發(fā)目標(biāo)。其中，靜電噴涂就是其中一個重要方向。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)。汽車組成構(gòu)件中有很大一部分，比如說汽車車身、保險杠、內(nèi)外飾件等，都是塑料制品，無法形成電場。為了實現(xiàn)靜電噴涂工藝，就要先在加工件表面先涂上一層導(dǎo)電底漆，然后在進(jìn)行靜電噴涂。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，然后再進(jìn)行正式的靜電噴涂。這種方法工藝復(fù)雜，也提高了成本，故此推廣難度較大。使用石墨烯作為導(dǎo)電劑后，可以回避因為導(dǎo)電劑帶來的底漆顏色變深問題，對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，完全可以滿足汽車靜電噴涂的色度要求。

1.2 導(dǎo)靜電涂料

石墨烯在導(dǎo)電涂料中的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是導(dǎo)靜電涂料。該種涂料表面電阻通常位于106到109之間，可以有效防止靜電導(dǎo)走現(xiàn)象發(fā)生，故而一般應(yīng)用于對防火、防爆等要求很高的場合。比如石油、化工、鐵路、交通等行業(yè)貯油罐、輸油管道、油輪等貯油、輸油設(shè)備的內(nèi)外壁，煤礦、航空、紡織、糧食等行業(yè)設(shè)備的防腐涂料一般都是使用導(dǎo)靜電涂料作為防腐涂料，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。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。

2 石墨烯在防腐涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 環(huán)氧富鋅漆

防腐涂料一直是涂料的重要分支之一，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中，大量金屬制品的使用使得設(shè)備防腐的要求很高，防腐涂料的市場需求呈現(xiàn)持續(xù)上升態(tài)勢。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球每年因為腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)萬億美元，遠(yuǎn)超自然災(zāi)害所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。在現(xiàn)有的環(huán)氧防腐涂料中加入石墨烯，處理在原有性能外，更提高了抗沖擊性、附著力、耐水性、硬度等指標(biāo)。在海洋工程、交通運(yùn)輸、大型工業(yè)設(shè)備及市政工程設(shè)施等領(lǐng)域的設(shè)備防腐方面應(yīng)用十分廣泛。

2.2 水性防腐涂料

環(huán)保涂料是當(dāng)前涂料開發(fā)的主要方向。水性涂料由于VOC較低，因而成為環(huán)保涂料的重要發(fā)展目標(biāo)。水性涂料使用水作為分散劑，表面張力大，漆膜成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，可以有效改善這一點(diǎn)。

3 石墨烯在阻燃涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯單體二次元結(jié)構(gòu)，分散到漆膜中層層相疊，形成致密的隔離層，可以起到防火阻燃作用。如果在涂料中加入樹脂，石墨烯還可以與樹脂分子發(fā)生交聯(lián)，進(jìn)一步強(qiáng)化隔離效果，阻燃效果得到加強(qiáng)。另外，石墨烯涂料燃燒后的產(chǎn)物除了二氧化碳與水外，還會在原處留下連續(xù)分布的碳層，從而再次提高阻燃效果。基于這個原因，石墨烯在阻燃涂料方面也有著很好的應(yīng)用。

4 石墨烯在高導(dǎo)熱散熱性涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)。在涂料中加入石墨烯，可以顯著改善涂料的導(dǎo)熱性能。因此，石墨烯改性就成為散熱涂料的一個重要發(fā)展方向。此外，石墨烯比表面積很大，漆膜中含有一定數(shù)量的石墨烯，可以使漆膜散熱面積大幅增加，有助于漆膜表面和內(nèi)部熱量的散發(fā)，使得內(nèi)外溫度趨于一致。由于石墨烯涂料具有很好的機(jī)械性能、耐腐蝕性和耐老化性，所以在許多條件嚴(yán)苛的使用環(huán)境中通常使用石墨烯涂料作為部件的散熱涂料。

5 石墨烯在高強(qiáng)度涂料領(lǐng)域的應(yīng)用

由于石墨烯的比表面積很高，因此具有很強(qiáng)的吸附力。涂料中添加石墨烯后，其在漆膜固化的過程中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，極大地增強(qiáng)了漆膜和底材的粘結(jié)性，漆膜更加穩(wěn)定，強(qiáng)度更好。試驗結(jié)果顯示，加入石墨烯后，涂料的耐沖擊性能，耐摩擦性能，導(dǎo)熱性，耐候性及防腐性能都有了較大改善。

6 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展，人類對于各種高性能材料的需求會越來愈大，石墨烯以其極為優(yōu)異的物理、電化學(xué)性能受到人們的高度關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。在涂料行業(yè)，特別是在文章所述及的導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、高強(qiáng)度涂料以及散熱涂料方面，石墨烯的優(yōu)異表現(xiàn)受到廠家的熱烈歡迎，發(fā)展速度很快。我們相信，隨著石墨烯性能以及涂料領(lǐng)域的深入研究，石墨烯在涂料領(lǐng)域勢必會獲得更加廣闊的發(fā)展空間，產(chǎn)生更加突出的表現(xiàn)，推動涂料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步升級。

參考文獻(xiàn)

[1]張旭明，劉春明，王建軍，等.無鉻達(dá)克羅成膜物質(zhì)的研究進(jìn)展[J].材料與冶金學(xué)報，2012，11（1）：62-67.

[2]王舟.環(huán)氧樹脂氧化石墨烯納米復(fù)合材料的制備與表征[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[3]徐贛川，杜磊.防腐涂料在石油天然氣管道中的應(yīng)用[J].上海涂料，2008，46（6）：23-26.