碳納米管在功能涂料中的應用與進展

簡彥紅 陳炳耀 陳明毅

摘 要：概述了碳納米管的結構及性能，介紹了碳納米管材料在幾種功能涂料中的應用，并概括出碳納米管應用于涂料中存在的問題及今后的發(fā)展前景展望。

關鍵詞：碳納米管;功能涂料;發(fā)展方向

0 前言

近年來，國內(nèi)外涂料行業(yè)日漸追求納米技術的應用，致力于提高涂料性能或賦予其特殊功能。目前，納米材料在涂料中的應用已取得初步成效，在涂料中添加納米材料可大大提高其粘結性、耐沖擊性、柔韌性，改善耐老化性、耐腐蝕性等傳統(tǒng)性能，此外，還可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)涂料的自潔、抗靜電、吸波隱身等功能。碳納米管具備極高的機械強度、吸附能力及一定的導電能力等特性，將其應用于涂料領域，不僅能夠極高涂層傳統(tǒng)性能，還將為涂層帶來新的功能，因此碳納米管被認為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ睦硐胄图{米材料。

1 碳納米管的結構及性能

1.1 碳納米管結構

碳納米管中碳原子通過sp2雜化，六角形具有的網(wǎng)格結構有一定的彎曲度，因此形成了空間拓撲結構。當然，sp3雜化鍵也存在，形成sp2與sp3共存的混合狀態(tài)。碳納米管由單層或多層的石墨片繞中心卷曲而形成的納米管狀結構，根據(jù)石墨片層數(shù)不同分為單壁碳納米管（SWCNTs）及多壁碳納米管（MWCNTs）。

1.2 碳納米管的性能

碳納米管因其獨特的分子結構而具備優(yōu)越的物理、化學性能。如其質(zhì)量較輕，但強度較高;其sp2、sp3雜化幾率不同且有較大的長徑比，使得碳納米管具備優(yōu)異的彈性;其分子結構的螺旋特性使由碳納米管制備的吸波材料吸收率遠遠高于一般的吸收材料;碳納米管的導電性能、光學性能、熱傳導性能可媲美金屬結構;此外該材料的耐酸、耐堿性及熱穩(wěn)定性亦非常優(yōu)異。

2 碳納米管在涂料中的應用

2.1 導靜電涂料

導電涂料是一種具有傳導電子、排除累積電荷能力的功能性涂料，在航天航空、電子、石油化工等領域備受青睞。在眾多導電涂料種類中，常見的導電填料有銀粉、鎳粉、銅粉等金屬性質(zhì)填料，有碳黑、石墨、碳纖維等碳結構導電填料[1]。其中，碳結構填料中的碳納米管具有較大的長徑比及很好的導電性能，由于其質(zhì)量輕密度小，用于涂料中不易于沉淀，因而在導電涂料領域獲得越來越多的關注。

2.2 電磁屏蔽復合涂料

現(xiàn)如今，電子科技的快速發(fā)展及通訊設備的普及已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，但隨之而來的電磁干擾、電磁輻射正危害人們的健康。目前電磁屏蔽復合涂料是當下研究的熱點，其組成成分中導電填料是較關鍵組分之一[2]。與導電涂料類似，在電磁屏蔽涂料體系中，通過添加一定含量的碳納米管即可使得涂料呈現(xiàn)出電磁屏蔽特效，使用后能夠有效減少電磁干擾。研究發(fā)現(xiàn)，通過增加電磁屏蔽涂料中碳納米管用量，涂料的屏蔽能力可逐漸增強;添加量相同時，碳納米管管徑越小，在形成電網(wǎng)鏈過程中其相互接觸的機率增加，利于形成良好的導電網(wǎng)絡，因此涂料的屏蔽效能隨碳納米管管徑減小而增強[3]。

2.3 隱身吸波涂料

隱身吸波涂料是現(xiàn)代隱身技術的重要突破，在飛行器、雷達等裝備領域應用廣泛[4]。此類涂料主要由粘結劑與吸收劑組成，粘結劑作為主要成膜物質(zhì)，吸收劑的電磁參數(shù)在很大程度上影響了涂料的吸波性能。目前行業(yè)使用的吸收劑主要有導電炭黑、鐵氧體、金屬性質(zhì)超細粉末、羰基鐵、納米吸收劑等等，其中碳納米管作為吸收劑呈現(xiàn)出很好的吸收特性，所制備出的吸波涂料還具備優(yōu)越的力學性能，是隱身吸波涂料領域的重點研究材料。

3 碳納米管功能涂料發(fā)展方向

在功能涂料中碳納米管作為一種新型材料，對其改性或預處理后已廣泛應用于交通、建筑、器械、石油化工等領域，若要將碳納米管材料的應用領域擴大，還需要對碳納米管在純化、修飾、表征、組裝等方面進行改善：

（1）碳納米管在制備技術上還存在一定缺陷，生產(chǎn)成本過高，而產(chǎn)品純度較低，嚴重限制了碳納米管的推廣[5]。因此碳納米管制備技術上首先需要深入探究其高純度、高質(zhì)量的大規(guī)模制備方法，其次降低碳納米管生產(chǎn)成本。

（2）碳納米管較大的長徑比與比表面積雖然有眾多優(yōu)勢，但其粒子之間存在很強的范德華力，容易相互吸附團聚。為了保證涂料正常使用，良好的分散效果是很關鍵的，因此，探索碳納米管在涂料中的分散條件是解決此問題的重要途徑。

（3）功能涂料常常應用于環(huán)境嚴苛的戶外，因此碳納米管與成膜基體的界面粘合力需要進一步改善，采取修飾改性等措施增強兩相界面間的粘合力，保證涂料的使用壽命。

（4）在不同種類功能涂料中，碳納米管的具體應用并不完全清晰，在用量、形狀、作用機理等方面探究的較為模糊，今后需要針對不同涂料的作用，探明碳納米管在各涂料中最優(yōu)使用條件。

4 碳納米管在涂料中的應用前景

現(xiàn)如今，涂料行業(yè)的發(fā)展日漸注重產(chǎn)品性能、功能及生態(tài)化，碳納米管的各項物理化學性能不僅滿足涂料性能需求，也能滿足環(huán)保要求，是一種理想的無污染環(huán)保材料。目前我國納米復合涂料領域還未成熟，處于快速發(fā)展階段。我們要做的就是不斷研究，保證納米復合涂料得到持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使我國涂料工業(yè)進入新階段。

參考文獻：

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[2]王嫻.碳納米管導電涂料的導電機理及影響因素[J].上海涂料，2012，50（09）：40-43.

[3]林海丹，列劍平，孫寶民.碳納米管功能涂料的研究進展與展望[J].化工新型材料，2018，46（05）：28-31.

[4]劉顧，汪劉應，程建良，王煒，吳永發(fā).碳納米管吸波材料研究進展[J].材料工程，2015，43（01）：104-112.

[5]趙冬梅，李振偉，劉領弟，張艷紅，任德財，李堅.石墨烯/碳納米管復合材料的制備及應用進展[J].化學學報，2014，72（02）：185-200.

作者簡介：簡彥紅（1993-），女，河南淮濱人，本科，助理工程師，從事水性建筑涂料方面的研發(fā)工作。