鉅大LARGE | 點擊量：3285次 | 2018年06月17日
石墨烯在涂料中的六大應用方向是哪些？石墨烯潛在應用前景。
石墨烯是一種新型的功能納米材料，具有導電性能卓越、化學穩定性優異、力學性能突出、導熱性高等特點，因而在涂料中有著廣泛的應用。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。
一、石墨烯的定義與結構特性
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。
石墨烯的結構特性
石墨烯薄膜的厚度約為1個碳原子厚度，10萬層石墨烯疊加起來的厚度只有1根頭發絲的直徑，是至今為止在納米材料領域中發現的最薄的納米材料，而且由于其吸光率很低，僅有2.3%，因此它的外觀基本是完全透明的。同時，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，超過最好的鋼鐵100倍。有研究報道，要拉斷相同截面的單層石墨烯所需的力是鋼材的200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。總而言之，石墨烯納米材料具有厚度超薄、硬度超高、導熱性優良和電子遷移率高的結構特性。
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充電溫度：0~45℃
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-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、石墨烯在涂料中的應用
因石墨烯具有高的比表面積、良好的導電性、優異的化學穩定性和導熱性等特性，使其在涂料中的應用受到廣泛關注，并由此展開了大量的研究工作。
1、石墨烯在防腐涂料中的應用
環氧富鋅防腐涂料
均勻分散的石墨烯可在涂層中形成物理隔絕層，起屏蔽作用。將其加入到環氧富鋅防腐涂料中，能在涂料中形成網狀的導電結構，提高鋅粉的利用率，增強鋅粉對鋼板的陰極保護作用，達到更好的保護效果。有研究表明，在環氧富鋅防腐涂料中添加1.0%的石墨烯，可使涂料的耐鹽霧性從624h提高到2500h，防腐性能明顯提高。
田振宇等也研究了石墨烯在環氧富鋅防腐涂料中的應用，研究表明，在環氧富鋅防腐涂料中加入石墨烯，可使鋅的利用率明顯提高，石墨烯與鋅粉發揮了良好的協同作用，大大降低鋅粉的用量，減少施工時的粉塵污染，而且，當石墨烯添加量為l％時，鋅烯復合涂層的耐鹽霧性能隨石墨烯含量的增加而增強。
水性防腐涂料
水性防腐涂料是一種綠色環保的涂料，由于涂料中有機揮發物含量較低，成為了防腐涂料中重要的發展方向，近年來在防腐涂料領域中的應用呈上升趨勢。水性防腐涂料采用水為分散相，表面張力大，涂膜的成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，能夠有效改善這一缺陷，但由于水自身表面張力大的特點，導致了水性防腐涂料的涂膜防腐性能總體上不及溶劑型防腐涂料。巨浩波等通過溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復合材料，研究表明，當石墨烯用量為0.7%時，其在高分子基體中的分散狀態最佳，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復合材料的拉伸強度提高了15.5%，斷裂伸長率降低了3.6%，耐水性能提高了14%，涂膜的防腐蝕性能也得到了極大提升。
王耀文等研究發現，將0.5%~2.0%含量的石墨烯作為防腐填料添加到水性環氧樹脂涂料中，對涂層的防腐性能具有顯著的作用，隨著石墨烯含量的增加，涂層的防腐性能先增強后降低，石墨烯含量為1.0%的涂層防腐效果最佳。
2、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，具有卓越的導電性能，在導電涂料領域具有巨大的應用潛力。賴奇等采用不同的插層劑對石墨烯進行改性，在減少了石墨烯之間團聚的同時提高了石墨烯在樹脂中的分散穩定性。將改性后的石墨烯添加到丙烯酸樹脂中，降低了涂層的電阻率，提高了涂層的導電性。與傳統的導電介質相比，如銀、銅、氧化鋅等，石墨烯不僅具有良好的導電性，還具有優異的熱性能和透光性。
方岱寧等將天然石墨在氧化劑中氧化后，采用兩步化學還原法制得有機分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑、交聯劑和催化劑，經液態共混，得到了具有優良導電性和力學性的水性導電石墨烯涂料。Ma等用苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備出高穩定性有機溶劑分散的石墨烯材料，然后再通過電泳沉積法制得了高導電性的石墨烯涂膜，其電導率高達150S/cm。
羅曉民等先用二元胺對氧化石墨烯進行氨基化改性，再采用化學還原法恢復石墨烯的共軛導電體系，通過石墨烯表面的—NH與—NCO封端的水性聚氨酯原位聚合，獲得了含石墨烯的水性聚氨酯導電涂料。
3石墨烯在建筑隔熱涂料中的應用
石墨烯的導熱系數高，應用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內部溫度，節能效果明顯。薛剛等通過回流法將石墨烯包裹在紅外發射粉末表面，成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過渡金屬氧化物的復合散熱涂料，研究表明，石墨烯可降低紅外顆粒的熱阻，相比于普通散熱涂料，含石墨烯的復合涂料紅外發射率可達到96%，節約能耗約6.37%，具有良好的節能效果。
4石墨烯在海洋防污涂料中的應用
海洋防污涂料是一種特種涂料，對植物和動物性海洋附著生物有防附作用，且有較長的防污期效。Hu等發現氧化石墨烯是一種優良的抗菌材料。利用石墨烯的這一特性，于歡[將石墨烯/二氧化鈦復合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響，結果表明，石墨烯的加入顯著提高了水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層防污性能得到極大的提升。
岳鑫將改性石墨烯加入到環氧樹脂中，研究其對涂層防腐防污性能的影響，研究表明，加入改性石墨烯后，因其分散更均勻，可以顯著提高涂層的防腐防污性。劉文超采用氧化石墨烯作為納米銀的載體，成功制備了氧化石墨烯/納米銀復合材料，研究表明，該復合材料除了具有良好的抑菌性外，還具備明顯的殺菌效果，可將其用于制備海洋防污涂料。
5石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應用
石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗滲性和物理力學性能。呂生華等通過溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類聚合物與水泥復合而成的聚合物水泥防水涂料中，研究表明，因石墨烯中含有豐富的含氧基團能夠調節水泥中水化產物的生長，因此使涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率和抗滲性等物理性能得到顯著提升。
6石墨烯在阻燃涂料中的應用
石墨烯的二維片層結構，使其能夠在涂料中層層疊加，從而形成致密的物理隔絕層，起到顯著的物理隔絕作用，提高涂料的阻燃性能。李洪飛等在丙烯酸膨脹阻燃涂料中加入氧化石墨烯，對其阻燃性能的影響進行研究，結果表明，將適量的氧化石墨烯加入到該阻燃體系中，會使涂料在受熱膨脹時誘導聚合物分子鏈取向以及生成“骨架”物質而顯著增強碳層，發揮阻燃作用，當添加量為2.5%時效果最好，耐燃時間增加約42%。
三、小結
石墨烯是一種新型的功能納米材料，具有導電性能卓越、化學穩定性優異、力學性能突出、導熱性高等特點，因而在涂料中有著廣泛的應用。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。目前來看，雖說石墨烯在涂料領域的發展勢頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關鍵性技術問題需要解決，如石墨烯與涂料中樹脂的復合方法，助劑的選擇，功能性的改進，如何將石墨烯的實驗室研究成果轉變成實際應用并實現產業化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機理等。相信隨著研究的持續深入和科技的快速發展，這些問題都會迎刃而解，石墨烯也必將推動涂料產業的新一輪轉型升級。
