球狀納米碳在功能涂料中的應(yīng)用進(jìn)展

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納米復(fù)合材料是近年來興起并快速發(fā)展的一種復(fù)合材料。與以往的復(fù)合材料相比，納米復(fù)合材料至少有一相微觀構(gòu)造達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。隨著電子工業(yè)和石油化工行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料獲得長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步。通常，功能涂料主要是把石墨、炭黑等顏色較深的填料和金屬、金屬氧化物等粉末填料加入高分子材料，但是高分子材料通常不具有導(dǎo)電性能，在對(duì)其進(jìn)行反復(fù)復(fù)合后，制備完成的導(dǎo)電材料能夠擁有良好的導(dǎo)電性能和物理機(jī)械性能。當(dāng)前，它在電子工業(yè)和石油化工行業(yè)中普遍應(yīng)用。

1 球狀石墨納米碳的結(jié)構(gòu)及性能

1.1 球狀納米碳的結(jié)構(gòu)

納米碳（Nanocarbon）具備強(qiáng)大的導(dǎo)電性，材料比表面積很大，比較適合作為導(dǎo)電填料[1]。球狀納米碳呈橢圓形或球狀，在環(huán)氧涂料里，彼此接觸容易，只需要加入少量就可以使其滿足防靜電要求?？墒?，納米碳彼此之間擁有非常強(qiáng)大的π-π鍵，在范德華力作用下，納米碳會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，制約了其有效應(yīng)用。

納米碳里的碳原子使用sp2雜化，六角形具備的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)不同程度的彎曲度，構(gòu)成一種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)然，sp3雜化鍵也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，sp2與sp3彼此依存，混合出現(xiàn)。球狀納米碳是從石墨片中經(jīng)摩擦電剝離而形成的一種球狀結(jié)構(gòu)[2]。

1.2 球狀納米碳的性能

納米碳具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，其本身具備優(yōu)越的物理性能和化學(xué)性能，如質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高。其sp2和sp3的雜化概率存在差異，擁有非常大的長(zhǎng)徑比，使得納米碳的彈性比其他材料更勝一籌。納米碳的分子結(jié)構(gòu)具有螺旋特性，與一般吸收材料相比，納米碳制備的吸波材料吸收率較高。納米碳具備良好的導(dǎo)電性能、光學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能，可以與金屬結(jié)構(gòu)媲美，其耐酸、耐堿性和熱穩(wěn)定性也十分優(yōu)異，其強(qiáng)度比碳纖維材料高。目前，我國(guó)納米碳研究比較滯后，如果想要提高其強(qiáng)度，就要盡可能降低碳纖維直徑，提升縱橫比。球狀納米碳是一種經(jīng)典的納米材料，其縱橫比十分可觀[3]。從粒徑結(jié)構(gòu)來看，在復(fù)合材料中，納米碳不會(huì)產(chǎn)生顯著負(fù)面變化，卻可以促進(jìn)復(fù)合材料快速聚合，強(qiáng)化導(dǎo)電性能。納米碳具有突出的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可以不斷提高聚合物的電導(dǎo)率，卻不削弱性能。

2 納米碳在涂料中的應(yīng)用

2.1 導(dǎo)靜電涂料

導(dǎo)靜電涂料是一種涂在高電阻率分子材料上的特種涂料，具備傳導(dǎo)電流、排除積累靜電荷的能力，可以將其涂在很多形狀各異的基材表面或內(nèi)部。導(dǎo)電涂料可以分成兩大類，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電涂料和復(fù)合型導(dǎo)電涂料[4]。

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電涂料是指以結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物為成膜物質(zhì)所制成的導(dǎo)電涂料。復(fù)合型導(dǎo)電涂料是指以高分子聚合物為基礎(chǔ)，添加導(dǎo)電物質(zhì)，使材料具備導(dǎo)電作用。它不僅擁有導(dǎo)電能力，還擁有高分子聚合物的很多優(yōu)異特性，能夠優(yōu)化涂料的電學(xué)與力學(xué)性能，其制作成本較低，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用比較廣泛。復(fù)合型導(dǎo)電涂料由高分子聚合物、導(dǎo)電填料、溶劑和助劑等共同構(gòu)成。當(dāng)前，常用的導(dǎo)電填料有金屬系填料、碳系填料、金屬氧化物系填料、復(fù)合填料以及新型納米導(dǎo)電填料等。復(fù)合型導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電機(jī)理比較復(fù)雜，其主要導(dǎo)電機(jī)理有無限網(wǎng)鏈理論、熱力學(xué)理論與競(jìng)爭(zhēng)理論。這三種理論從不同方向闡述了導(dǎo)電機(jī)理，分別為：導(dǎo)電粒子含量；導(dǎo)電體系界面能和導(dǎo)電粒子含量的關(guān)系；導(dǎo)電通道機(jī)理、隧道效應(yīng)機(jī)理和場(chǎng)致發(fā)射機(jī)理的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

總的來說，功能涂料兼具傳導(dǎo)電子和排除累積電荷的能力，其在航天航空、電子以及石油化工等領(lǐng)域備受人們青睞。功能涂料種類較多，常用的導(dǎo)電填料有銀粉、鎳粉、銅粉、炭黑、石墨以及碳纖維等[5]。在碳結(jié)構(gòu)填料中，納米碳具備較大的長(zhǎng)徑比和較好的導(dǎo)電性能，質(zhì)量比其他填料輕，密度較小，所以其在涂料中不容易產(chǎn)生沉淀，在功能涂料領(lǐng)域受到人們的普遍關(guān)注。

2.2 電磁屏蔽復(fù)合涂料

當(dāng)今社會(huì)，電子科技快速發(fā)展，通信設(shè)備已經(jīng)普及，為人們的生活提供了很多便利，可是會(huì)伴隨電磁干擾，電磁輻射會(huì)威脅人體健康。當(dāng)前，電磁屏蔽復(fù)合涂料是研究熱點(diǎn)，導(dǎo)電填料是其主要組分之一。其和功能涂料比較類似，電磁屏蔽涂料加入適量的納米碳，就能夠展現(xiàn)出良好的電磁屏蔽效果，能夠顯著降低電磁干擾[6]。研究發(fā)現(xiàn)，提升電磁屏蔽涂料的納米碳用量，能夠強(qiáng)化涂料屏蔽能力。在構(gòu)成電網(wǎng)鏈時(shí)，球狀納米碳彼此接觸的概率有所提升，構(gòu)成一種非常好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，隨著球狀納米碳體積的減小，涂料的屏蔽效能不斷增強(qiáng)。

2.3 隱身吸波涂料

隱身吸波涂料是現(xiàn)代隱身技術(shù)的重要突破，在飛行器和雷達(dá)等裝備領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。涂料主要使用黏結(jié)劑和吸收劑，黏結(jié)劑作為膜物質(zhì)，吸收劑的電磁參數(shù)顯著影響涂料吸波性能。當(dāng)前，常用的吸收劑有導(dǎo)電炭黑、鐵氧體、金屬性質(zhì)超細(xì)粉末、羰基鐵和納米吸收劑等[7-10]。其中，納米碳作為吸收劑，展現(xiàn)出非常好的吸收特性，其制備的吸波涂料擁有優(yōu)越的力學(xué)性能，納米碳是當(dāng)前隱身吸波涂料領(lǐng)域需要重點(diǎn)研究的一種材料。

3 球狀納米碳功能涂料發(fā)展方向

在功能涂料中，納米碳是一種新型材料，通過改性和預(yù)處理，它能夠廣泛應(yīng)用在交通、建筑、器械和石油化工等領(lǐng)域[11-13]。要想不斷拓展納米碳材料應(yīng)用領(lǐng)域，人們就需要改善納米碳在純化、修飾、表征與組裝等方面的性能[14-17]。

3.1 改進(jìn)制備方法，提高純度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本

當(dāng)前，球狀納米碳制備技術(shù)仍然存在較大的缺陷，生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)品純度較低，使得納米碳的有效推廣和使用受到制約。所以，首先要大力研發(fā)大規(guī)模制備納米碳材料的方法，不斷提高其純度和質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本。

3.2 加強(qiáng)納米碳分散條件研究，促進(jìn)粒子吸附和團(tuán)聚

納米碳具有較大的長(zhǎng)徑比和比表面積，具備非常好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?？墒?，納米碳粒子間存在非常強(qiáng)大的范德華力，因此彼此經(jīng)常吸附、團(tuán)聚。為了持續(xù)有效使用涂料，人們要分析納米碳在涂料中的分散條件，增強(qiáng)其分散效果，削弱范德華力的影響，解決粒子彼此吸附和團(tuán)聚的問題。

3.3 增強(qiáng)兩相界面的黏合力，提升涂料使用壽命

功能涂料會(huì)應(yīng)用在惡劣環(huán)境，因此人們要增強(qiáng)納米碳的膜基體界面結(jié)合力，使用修飾改性等措施促進(jìn)兩相界面的黏合，延長(zhǎng)涂料的使用壽命。

3.4 加強(qiáng)納米碳使用條件分析，明確作用機(jī)理

不同類型的涂料存在功能差異，納米碳應(yīng)用方法并不清晰。目前，在球狀納米碳的實(shí)際應(yīng)用中，不論是用量還是作用機(jī)理都比較模糊。今后要加強(qiáng)不同涂料的作用機(jī)理研究，分析與總結(jié)納米碳在不同涂料中的使用條件。

4 結(jié)語

當(dāng)前，涂料行業(yè)不斷發(fā)展，更加關(guān)注產(chǎn)品性能，追求實(shí)現(xiàn)生態(tài)化發(fā)展。納米碳具備良好的物理性能和化學(xué)性能，不僅可以滿足涂料性能需求，還可以有效滿足環(huán)保要求，是一種十分理想的環(huán)保材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。當(dāng)前，我國(guó)納米復(fù)合涂料發(fā)展非常迅速，但是并不成熟。人們需要持續(xù)開展研究，使得納米復(fù)合涂料朝產(chǎn)業(yè)化方向快速發(fā)展，最終令我國(guó)涂料工業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。