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 石墨烯在涂料行業(yè)中的幾個(gè)應用
     近年來(lái)，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷增速，作為一種新型的 功能納米材料，它具有導 電性能卓越、化化學(xué)穩定性?xún)?yōu)異、力學(xué)性能突出、導熱性高 等特點(diǎn)，因而在涂料中有著(zhù)廣泛的應用。石墨烯在防腐、導電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃 等功能性涂料體系中均可大幅提高涂料的綜合性能，展現出誘人的潛在應用前景。
那么，究竟是什么樣的結構賦予了石墨烯這么多的特性呢?
石墨烯的結構特性
    石墨烯是一種新型的由碳原子構成的單層片狀結構二維材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一層被剝離的“石墨片”，被認為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的體相石墨的母體。理論上石墨烯是構成其他維度碳材料的基本材料，石墨烯不僅可以覆蓋成零維的富勒烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還 可以堆積成三維的石墨。
    石墨烯薄膜的厚度約為1個(gè)碳原子厚度，10萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度只有1根頭發(fā)絲的直徑，是至今為止在納米材料領(lǐng)域中發(fā)現的 最薄的納米材料，而且由于其 吸光率很低，僅有2.3%，因此它的外觀(guān)基本是完全透明的。同時(shí)，石墨烯又是已知 強度最高 的納米材料之一，其強度可高達130GPa，超過(guò)最好的鋼鐵100倍。此外，石墨烯還是 良好的導熱體，導熱系數高達5300W（/m·K），高于金剛石和碳納米管。而且，石墨烯具有獨特的 載流子特征，使其電子遷移率高達2.0×105cm2（/V·s），比硅的電子遷移率還要高100倍，且不隨溫度變化而變化?？偠灾?，石墨烯納米材料具有 厚度超薄、硬度超高、導熱性?xún)?yōu)良和電子遷移率高的結構特性。
在了解了石墨烯的結構特性之后，具體介紹下石墨烯在涂料中的應用~
一、石墨烯在防腐涂料中的應用
    目前，防腐涂料一般分為常規防腐涂料和重防腐涂料，是油漆涂料中必不可少的一種涂料。水性涂料因低污染、易凈化、無(wú)刺激等特點(diǎn)，成為涂料行業(yè)大力發(fā)展的綠色環(huán)保型涂料。但水性涂料的防護效果仍比不上其對應的溶劑型涂料，導致其在重防腐領(lǐng)域中的應用程度仍然不高。
　　石墨烯作為新興的納米材料，具有 良好的阻隔性能和屏蔽性能，同時(shí)還 兼具高導電、高強度 等性能，將石墨烯材料與傳統防腐涂料結合起來(lái)，石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好，涂層厚度低，附著(zhù)力高，漆膜重量輕，耐鹽霧性能極佳 等優(yōu)勢，是傳統防腐涂料的良好升級替代品種；同時(shí)添加石墨烯后成本增加遠遠低于其帶來(lái)的防腐收益，因此石墨烯有望成為傳統防腐涂料的良好升級替代品種。
石墨烯防腐機理
（1）石墨烯對小分子有很好的物理阻隔性。
（2）延長(cháng)腐蝕介質(zhì)的擴散路徑：腐蝕介質(zhì)的擴散路徑被延長(cháng)，基體使用壽命增長(cháng)。
（3）與鋅粉形成有效的微導電循環(huán)通路從而有效地保證鋅粉作為陽(yáng)極起到保護作用。
石墨烯本身具有的獨特結構性質(zhì)，使其在物理防腐和電化學(xué)防腐方面都展現出一定的優(yōu)勢。
片層結構可形成“迷宮式”結構，能有效提高涂層的物理阻隔性。
由于其小尺寸效應，可有效填充涂層缺陷，減少孔隙率，增強致密性。
片層結構可以將涂層分割成許多小區間，能有效降低涂層內應力，消耗斷裂能量，提高涂層的柔韌性、抗沖擊性和耐磨性。
電子遷移率高，表現出良好的導電性。
二、石墨烯在導電涂料中的應用
    石墨烯的 共軛體系結構使其電子傳輸能力強，相對于傳統的導電物質(zhì)，石墨烯具有更加 優(yōu)良的導電性能和良好的機械性能，而且石墨烯比表面積大，導電滲流閾值低，只需 很少的添加量 即可達到導電的目的，是目前制備導電涂料的不二選擇。
    目前，市場(chǎng)用量最多的導電填料是導電炭黑，一般添加量為質(zhì)量分數10%以?xún)染湍苓_到導靜電水平，成本遠低于石墨烯。而石墨烯的優(yōu)勢則是添加量少，添加量為質(zhì)量分數1%以?xún)燃纯蛇_到導靜電水平。由于添加量少，石墨烯導電涂料的涂層的力學(xué)性能一般優(yōu)于炭黑導電涂料涂層的力學(xué)性能，因此石墨烯導電涂料能夠 實(shí)現涂層導電性和力學(xué)性能的同步提高。
三、石墨烯在防火涂料中的應用
石墨烯在防火涂料中的阻燃機理被認為是以下幾種阻燃作用的疊加：
石墨烯的二維片層結構能在涂料中層層疊加，形成致密的物理隔絕層，提高阻燃性能。
石墨烯可以與涂料中樹(shù)脂進(jìn)行交聯(lián)復合，進(jìn)一步形成一層致密的保護膜，起到阻隔空氣的作用，從而發(fā)揮阻燃的效果。
在高溫下石墨烯涂層燃燒產(chǎn)生二氧化碳和水，并生成更加致密、連續的碳層，阻隔作用更強。
研究表明：具有片層結構的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過(guò)程中會(huì )使自身和基體分子鏈取向，進(jìn)而在聚合物碳化過(guò)程中 形成骨架結構，增加碳層強度，達到阻燃和抑煙的目的。此外，由于石墨烯出色的 屏蔽效應，即使發(fā)生火災，石墨烯涂料形成的隔絕層也可以阻隔一氧化碳等有毒降解產(chǎn)物的揮發(fā)，從而降低火災的危險。
四、石墨烯在防污涂料中的應用
    防污涂料是涂裝于船底和海洋水下設施的一種特殊涂料，主要是通過(guò)在涂料中添加重金屬等毒料，在涂膜表面形成有毒表面層，將附著(zhù)于涂膜的海洋生物殺死，達到防止海洋生物附著(zhù)在船底或海洋水下設施的目的。
    石墨烯具有極高的表面能和很強的疏水作用，微生物很難在石墨烯表面上生長(cháng)或粘附，所以石墨烯具有很好的防污效果。
五、 石墨烯在散熱涂料中的應用
    石墨烯本身熱導率高達5300W/（m·K），高于碳納米管和金剛石。因此用石墨烯制備散熱涂料具有高的熱導率，而且石墨烯高比表面積，能夠增大涂層散熱面積，可有效降低物體表面和內部溫度。
    石墨烯改性散熱涂料能夠長(cháng)期在高溫下工作，耐磨抗沖擊性強，具有很好的耐候性，耐鹽霧老化，酸堿老化，光照老化等，在各種極端環(huán)境下均可使用?？梢杂糜谛枰岬奈锛?，如LED散熱，工業(yè)設備散熱，汽車(chē)零部件散熱等各行業(yè)。
石墨烯涂料的主要技術(shù)難點(diǎn)
    目前石墨烯的應用方式多數是將石墨烯作為功能性填料進(jìn)行添加，人工制備的石墨烯容易再團聚，因而無(wú)法充分發(fā)揮石墨烯單片層的優(yōu)異特性。由此帶來(lái)一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是如何解決石墨烯在涂料中的分散穩定性。
一、解決石墨烯的選材及與水性涂料的配套問(wèn)題
石墨烯的制備方法不同，其物理結構、化學(xué)性質(zhì)也不盡相同。涂料是一個(gè)復雜的配套體系，各組分間協(xié)同發(fā)揮防護作用。目前關(guān)于石墨烯水性復合防腐涂料的研究趨于多樣化，不僅石墨烯的選擇多樣，而且成膜樹(shù)脂、顏填料、助劑的選擇也是多樣的，因此針對不同的環(huán)境 選擇何種石墨烯和水性防腐涂料形成完整的配套體系是研究的重點(diǎn)。對此，有必要建立一個(gè)石墨烯及涂料的 綜合評價(jià)體系，詳細考察不同結構和物化性質(zhì)的石墨烯材料對不同組分水性涂料防護性能的影響，深入探索其作用機理，為后續水性防腐涂料專(zhuān)用石墨烯的選擇提供理論和實(shí)驗實(shí)踐依據。
二、解決石墨烯在水性涂料中的用量問(wèn)題
在沒(méi)有添加石墨烯填料時(shí)，純樹(shù)脂在成膜過(guò)程易產(chǎn)生裂紋，涂層微觀(guān)多孔，腐蝕介質(zhì)很容易通過(guò)空隙、裂紋擴散。當添加理想含量時(shí)，石墨烯的片層結構層層疊加、上下交錯排列，在涂層中能夠形成幾十到上百的致密的物理阻隔層，大大提高涂層的抗滲透性。當石墨烯填料 添加量過(guò)大時(shí)，一方面由于其表面效應，石墨烯發(fā)生聚集，在涂層中出現大量的無(wú)序堆積，形成硬的團聚體成為涂料缺陷；另一方面石墨烯含量過(guò)高造成涂料的黏度、顏料體積濃度（PVC）過(guò)高，影響涂層的成膜性和附著(zhù)力，使得涂層產(chǎn)生大量的裂紋和缺陷，促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行?？傊?，石墨烯含量過(guò)低或過(guò)高都不能提供很好的防護性能，因此有必要考察石墨烯用量對涂層微觀(guān)結構、黏度、附著(zhù)力以及防護性能的影響，并針對特定的涂料體系選擇理想的石墨烯添加量。
三、解決石墨烯在水性涂料中的分散性和相容性問(wèn)題
石墨烯的高表面積、強范德華力和π-π 作用使其易發(fā)生團聚，與水、有機溶劑以及聚合物間不能形成穩定的化學(xué)鍵結合，導致 其與樹(shù)脂間的界面結合力微弱，相容性差，易發(fā)生相分離，嚴重影響涂層的性能。目前研究較多的石墨烯分散技術(shù)包括化學(xué)法分散和物理法分散，即通過(guò)共價(jià)鍵及非共價(jià)鍵修飾實(shí)現石墨烯的功能化，石墨烯和涂料樹(shù)脂的融合主要通過(guò)共混法和聚合法等。
總結于展望
    目前來(lái)看，雖說(shuō)石墨烯在涂料領(lǐng)域的發(fā)展勢頭較好，然而卻不能說(shuō)“已入佳境”，還存在很多關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題需要解決，如石墨烯與涂料中樹(shù)脂的復合方法，助劑的選擇，功能性的改進(jìn)，如何將石墨烯的實(shí)驗室研究成果轉變成實(shí)際應用并實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機理等。相信隨著(zhù)研究的持續深入和科技的快速發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì )迎刃而解，石墨烯也必將推動(dòng)涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪轉型升級。