石墨烯在涂料領域中的應用探析

摘 要：自從石墨烯誕生之日起，就受到世界范圍內的高度關注。石墨烯作為碳單質的第三種形式，以其優異的物理性能、化學性能、電性能和熱力學性能，在涂料行業一經使用，就有著十分突出的優異表現。文章圍繞石墨烯在涂料領域的相關應用進行探討，主要介紹了石墨烯在導電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、導熱涂料和高強度涂料方面的應用情況。

關鍵詞：石墨烯；涂料；導電；防腐

引言

使用工具是人類區別于其他動物的根本特征。人類的歷史本質上是人類使用工具改造自然、認知世界的過程。優質的材料是工具發展的主要動力之一。許多次人類科學乃至社會上的重大進步，都是與新材料的發現、發明密切相關。石墨烯是21世紀重要的新型材料，其由多層片狀結構組成，每層結構都是由碳原子經過sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格平面薄膜。石墨烯的理論已經提出了一段時間，但一直到2004年英國物理學家安德烈·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。兩位學者也因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯是納米材料中厚度最小、強度最大的種類。由于吸光率很低，只有2.3%，所以外觀幾乎是完全透明的。石墨烯物理性能優異，導熱性能比碳納米管和金剛石還高，為5300W/m·K，室溫環境下其電子遷移率大于15000cm2/vs，超過納米碳管或硅晶體。石墨烯是當前世界上已知材料中導電性最好的材料，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、導電性好、化學穩定性強、力學性能和導熱性能優異等優點，一經問世，就受到世界各國的廣泛關注。現階段我國已經初步形成石墨烯工業化生產。石墨烯應用范圍十分廣闊，涂料是目前石墨烯眾多應用領域中的一個重要組成部分。憑借各種優越性能，石墨烯在導電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、導熱涂料和高強度涂料等方面都有著非常深遠的應用前景。下面就對石墨烯在涂料領域中的主要應用進行一下簡要介紹與分析。

1 石墨烯在導電涂料領域的應用

1.1 汽車靜電噴涂淺色底漆

汽車是重要的工業產品。作為汽車構成系統中的有機組成部分，汽車塑件具有很好的市場空間。當前汽車塑件涂裝普遍采用常規空氣噴涂方式作業。這種噴漆工業是以噴槍為工具，使用壓縮空氣為載體進行生產。在生產過程中，大量涂料以霧化形式散逸到空氣中，不僅成本昂貴，而且會造成較為嚴重的空氣污染。基于這個原因，汽車及涂料企業一直把更具有經濟性、環保性的新型涂料作為汽車涂料的主要開發目標。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，有利于環境保護，還具有生產速度快，裝飾性能高等優點。汽車組成構件中有很大一部分，比如說汽車車身、保險杠、內外飾件等，都是塑料制品，無法形成電場。為了實現靜電噴涂工藝，就要先在加工件表面先涂上一層導電底漆，然后在進行靜電噴涂。當前汽車噴涂導電底漆主要通過添加導電炭黑使涂料具有導電性。由此導致導電底漆顏色較深，為了美觀，往往要再噴涂一層底漆進行遮蓋，然后再進行正式的靜電噴涂。這種方法工藝復雜，也提高了成本，故此推廣難度較大。使用石墨烯作為導電劑后，可以回避因為導電劑帶來的底漆顏色變深問題，對于汽車靜電噴涂的改進十分有利。數據顯示，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 導靜電涂料

石墨烯在導電涂料中的另一個重要應用領域是導靜電涂料。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走現象發生，故而一般應用于對防火、防爆等要求很高的場合。比如石油、化工、鐵路、交通等行業貯油罐、輸油管道、油輪等貯油、輸油設備的內外壁，煤礦、航空、紡織、糧食等行業設備的防腐涂料一般都是使用導靜電涂料作為防腐涂料，這樣既可以最大限度防止設備腐蝕，又可以避免電荷集聚產生靜電引發火災事故的問題。石墨烯兼具良好的導電性和防腐蝕性，因而在導靜電涂料中應用效果很好。

2 石墨烯在防腐涂料領域的應用

2.1 環氧富鋅漆

防腐涂料一直是涂料的重要分支之一，在工業生產中應用十分廣泛。在國民經濟生產中，大量金屬制品的使用使得設備防腐的要求很高，防腐涂料的市場需求呈現持續上升態勢。統計數據顯示，全球每年因為腐蝕所造成的經濟損失高達萬億美元，遠超自然災害所帶來的經濟損失。在現有的環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。在海洋工程、交通運輸、大型工業設備及市政工程設施等領域的設備防腐方面應用十分廣泛。

2.2 水性防腐涂料

環保涂料是當前涂料開發的主要方向。水性涂料由于VOC較低，因而成為環保涂料的重要發展目標。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。

3 石墨烯在阻燃涂料領域的應用

石墨烯單體二次元結構，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生交聯，進一步強化隔離效果，阻燃效果得到加強。另外，石墨烯涂料燃燒后的產物除了二氧化碳與水外，還會在原處留下連續分布的碳層，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用。

4 石墨烯在高導熱散熱性涂料領域的應用

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

5 石墨烯在高強度涂料領域的應用

由于石墨烯的比表面積很高，因此具有很強的吸附力。涂料中添加石墨烯后，其在漆膜固化的過程中形成網狀結構，極大地增強了漆膜和底材的粘結性，漆膜更加穩定，強度更好。試驗結果顯示，加入石墨烯后，涂料的耐沖擊性能，耐摩擦性能，導熱性，耐候性及防腐性能都有了較大改善。

6 結束語

隨著社會的發展，人類對于各種高性能材料的需求會越來愈大，石墨烯以其極為優異的物理、電化學性能受到人們的高度關注，應用前景廣闊。在涂料行業，特別是在文章所述及的導電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、高強度涂料以及散熱涂料方面，石墨烯的優異表現受到廠家的熱烈歡迎，發展速度很快。我們相信，隨著石墨烯性能以及涂料領域的深入研究，石墨烯在涂料領域勢必會獲得更加廣闊的發展空間，產生更加突出的表現，推動涂料產業的進一步升級。

參考文獻

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