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                                              石墨烯在涂料行业中的几大应用
                                              发布时间:2019/10/14 8:48:03 浏览次数:33次
                                              石墨烯在涂料行业中的几个应用
                                                   近年来,石墨烯产业发展不断增速,作为一种新型的 功能纳米材料,它具有导 电性能卓越、化化学稳定性优异、力学性能突出、导热性高 等特点,因而在涂料中有着广泛的应用。石墨烯在防腐、导电、建筑隔热、海洋防污和阻燃 等功能性涂料体系中均可大幅提高涂料的综合性能,展现出诱人的潜在应用前景。
                                              那么,究竟是什么样的结构赋予了石墨烯这么多的特性呢?
                                              石墨烯的结构特性
                                                  石墨烯是一种新型的由碳原子构成的单层片状结构二维材料,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,可以看作是一层被剥离的“石墨片”,被认为是零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的体相石墨的母体。理论上石墨烯是构成其他维度碳材料的基本材料,石墨烯不仅可以覆盖成零维的富勒烯,也可以卷曲成一维的碳纳米管,还 可以堆积成三维的石墨。
                                                  石墨烯薄膜的厚度约为1个碳原子厚度,10万层石墨烯叠加起来的厚度只有1根头发丝的直径,是至今为止在纳米材料领域中发现的 最薄的纳米材料,而且由于其 吸光率很低,仅有2.3%,因此它的外观基本是完全透明的。同时,石墨烯又是已知 强度最高 的纳米材料之一,其强度可高达130GPa,超过最好的钢铁100倍。此外,石墨烯还是 良好的导热体,导热系数高达5300W(/m·K),高于金刚石和碳纳米管。而且,石墨烯具有独特的 载流子特征,使其电子迁移率高达2.0×105cm2(/V·s),比硅的电子迁移率还要高100倍,且不随温度变化而变化。总而言之,石墨烯纳米材料具有 厚度超薄、硬度超高、导热性优良和电子迁移率高的结构特性。
                                              在了解了石墨烯的结构特性之后,具体介绍下石墨烯在涂料中的应用~
                                              一、石墨烯在防腐涂料中的应用
                                                  目前,防腐涂料一般分为常规防腐涂料和重防腐涂料,是油漆涂料中必不可少的一种涂料。水性涂料因低污染、易净化、无刺激等特点,成为涂料行业大力发展的绿色环保型涂料。但水性涂料的防护效果仍比不上其对应的溶剂型涂料,导致其在重防腐领域中的应用程度仍然不高。
                                                石墨烯作为新兴的纳米材料,具有 良好的阻隔性能和屏蔽性能,同时还 兼具高导电、高强度 等性能,将石墨烯材料与传统防腐涂料结合起来,石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好,涂层厚度低,附着力高,漆膜重量轻,耐盐雾性能极佳 等优势,是传统防腐涂料的良好升级替代品种;同时添加石墨烯后成本增加远远低于其带来的防腐收益,因此石墨烯有望成为传统防腐涂料的良好升级替代品种。
                                              石墨烯防腐机理
                                              (1)石墨烯对小分子有很好的物理阻隔性。
                                              (2)延长腐蚀介质的扩散路径:腐蚀介质的扩散路径被延长,基体使用寿命增长。
                                              (3)与锌粉形成有效的微导电循环通路从而有效地保证锌粉作为阳极起到保护作用。
                                              石墨烯本身具有的独特结构性质,使其在物理防腐和电化学防腐方面都展现出一定的优势。
                                              片层结构可形成“迷宫式”结构,能有效提高涂层的物理阻隔性。
                                              由于其小尺寸效应,可有效填充涂层缺陷,减少孔隙率,增强致密性。
                                              片层结构可以将涂层分割成许多小区间,能有效降低涂层内应力,消耗断裂能量,提高涂层的柔韧性、抗冲击性和耐磨性。
                                              电子迁移率高,表现出良好的导电性。
                                              二、石墨烯在导电涂料中的应用
                                                  石墨烯的 共轭体系结构使其电子传输能力强,相对于传统的导电物质,石墨烯具有更加 优良的导电性能和良好的机械性能,而且石墨烯比表面积大,导电渗流阈值低,只需 很少的添加量 即可达到导电的目的,是目前制备导电涂料的不二选择。
                                                  目前,市场用量最多的导电填料是导电炭黑,一般添加量为质量分数10%以内就能达到导静电水平,成本远低于石墨烯。而石墨烯的优势则是添加量少,添加量为质量分数1%以内即可达到导静电水平。由于添加量少,石墨烯导电涂料的涂层的力学性能一般优于炭黑导电涂料涂层的力学性能,因此石墨烯导电涂料能够 实现涂层导电性和力学性能的同步提高。
                                              三、石墨烯在防火涂料中的应用
                                              石墨烯在防火涂料中的阻燃机理被认为是以下几种阻燃作用的叠加:
                                              石墨烯的二维片层结构能在涂料中层层叠加,形成致密的物理隔绝层,提高阻燃性能。
                                              石墨烯可以与涂料中树脂进行交联复合,进一步形成一层致密的保护膜,起到阻隔空气的作用,从而发挥阻燃的效果。
                                              在高温下石墨烯涂层燃烧产生二氧化碳和水,并生成更加致密、连续的碳层,阻隔作用更强。
                                              研究表明:具有片层结构的氧化石墨烯在涂料受热膨胀过程中会使自身和基体分子链取向,进而在聚合物碳化过程中 形成骨架结构,增加碳层强度,达到阻燃和抑烟的目的。此外,由于石墨烯出色的 屏蔽效应,即使发生火灾,石墨烯涂料形成的隔绝层也可以阻隔一氧化碳等有毒降解产物的挥发,从而降低火灾的危险。
                                              四、石墨烯在防污涂料中的应用
                                                  防污涂料是涂装于船底和海洋水下设施的一种特殊涂料,主要是通过在涂料中添加重金属等毒料,在涂膜表面形成有毒表面层,将附着于涂膜的海洋生物杀死,达到防止海洋生物附着在船底或海洋水下设施的目的。
                                                  石墨烯具有极高的表面能和很强的疏水作用,微生物很难在石墨烯表面上生长或粘附,所以石墨烯具有很好的防污效果。
                                              五、 石墨烯在散热涂料中的应用
                                                  石墨烯本身热导率高达5300W/(m·K),高于碳纳米管和金刚石。因此用石墨烯制备散热涂料具有高的热导率,而且石墨烯高比表面积,能够增大涂层散热面积,可有效降低物体表面和内部温度。
                                                  石墨烯改性散热涂料能够长期在高温下工作,耐磨抗冲击性强,具有很好的耐候性,耐盐雾老化,酸碱老化,光照老化等,在各种极端环境下均可使用。可以用于需要散热的物件,如LED散热,工业设备散热,汽车零部件散热等各行业。
                                              石墨烯涂料的主要技术难点
                                                  目前石墨烯的应用方式多数是将石墨烯作为功能性填料进行添加,人工制备的石墨烯容易再团聚,因而无法充分发挥石墨烯单片层的优异特性。由此带来一个关键问题,就是如何解决石墨烯在涂料中的分散稳定性。
                                              一、解决石墨烯的选材及与水性涂料的配套问题
                                              石墨烯的制备方法不同,其物理结构、化学性质也不尽相同。涂料是一个复杂的配套体系,各组分间协同发挥防护作用。目前关于石墨烯水性复合防腐涂料的研究趋于多样化,不仅石墨烯的选择多样,而且成膜树脂、颜填料、助剂的选择也是多样的,因此针对不同的环境 选择何种石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套体系是研究的重点。对此,有必要建立一个石墨烯及涂料的 综合评价体系,详细考察不同结构和物化性质的石墨烯材料对不同组分水性涂料防护性能的影响,深入探索其作用机理,为后续水性防腐涂料专用石墨烯的选择提供理论和实验实践依据。
                                              二、解决石墨烯在水性涂料中的用量问题
                                              在没有添加石墨烯填料时,纯树脂在成膜过程易产生裂纹,涂层微观多孔,腐蚀介质很容易通过空隙、裂纹扩散。当添加理想含量时,石墨烯的片层结构层层叠加、上下交错排列,在涂层中能够形成几十到上百的致密的物理阻隔层,大大提高涂层的抗渗透性。当石墨烯填料 添加量过大时,一方面由于其表面效应,石墨烯发生聚集,在涂层中出现大量的无序堆积,形成硬的团聚体成为涂料缺陷;另一方面石墨烯含量过高造成涂料的黏度、颜料体积浓度(PVC)过高,影响涂层的成膜性和附着力,使得涂层产生大量的裂纹和缺陷,促进腐蚀的进行。总之,石墨烯含量过低或过高都不能提供很好的防护性能,因此有必要考察石墨烯用量对涂层微观结构、黏度、附着力以及防护性能的影响,并针对特定的涂料体系选择理想的石墨烯添加量。
                                              三、解决石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性问题
                                              石墨烯的高表面积、强范德华力和π-π 作用使其易发生团聚,与水、有机溶剂以及聚合物间不能形成稳定的化学键结合,导致 其与树脂间的界面结合力微弱,相容性差,易发生相分离,严重影响涂层的性能。目前研究较多的石墨烯分散技术包括化学法分散和物理法分散,即通过共价键及非共价键修饰实现石墨烯的功能化,石墨烯和涂料树脂的融合主要通过共混法和聚合法等。
                                              总结于展望
                                                  目前来看,虽说石墨烯在涂料领域的发展势头较好,然而却不能说“已入佳境”,还存在很多关键性技术问题需要解决,如石墨烯与涂料中树脂的复合方法,助剂的选择,功能性的改进,如何将石墨烯的实验室研究成果转变成实际应用并实现产业化,以及石墨烯在涂料体系中的作用机理等。相信随着研究的持续深入和科技的快速发展,这些问题都会迎刃而解,石墨烯也必将推动涂料产业的新一轮转型升级。
                                               
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