古风名字,古风君子以泽,斗破苍穹续集

石墨烯在涂料行業(yè)中的幾個(gè)應(yīng)用
近年來，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(dǎo) 電性能卓越、化化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、力學(xué)性能突出、導(dǎo)熱性高等特點(diǎn)，因而在涂料中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯在防腐、導(dǎo)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(xiàn)出誘人的潛在應(yīng)用前景。
那么，究竟是什么樣的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯這么多的特性呢?
石墨烯的結(jié)構(gòu)特性
石墨烯是一種新型的由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)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(rèn)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(gòu)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，10萬層石墨烯疊加起來的厚度只有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(xiàn)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(shí)，石墨烯又是已知強(qiáng)度最高的納米材料之一，其強(qiáng)度可高達(dá)130GPa，超過最好的鋼鐵100倍。此外，石墨烯還是良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W（/m·K），高于金剛石和碳納米管。而且，石墨烯具有獨(dú)特的載流子特征，使其電子遷移率高達(dá)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(dǎo)熱性優(yōu)良和電子遷移率高的結(jié)構(gòu)特性。
在了解了石墨烯的結(jié)構(gòu)特性之后，具體介紹下石墨烯在涂料中的應(yīng)用~
一、石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用
目前，防腐涂料一般分為常規(guī)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(hù)效果仍比不上其對(duì)應(yīng)的溶劑型涂料，導(dǎo)致其在重防腐領(lǐng)域中的應(yīng)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(dǎo)電、高強(qiáng)度等性能，將石墨烯材料與傳統(tǒng)防腐涂料結(jié)合起來，石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果好，涂層厚度低，附著力高，漆膜重量輕，耐鹽霧性能極佳等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級(jí)替代品種；同時(shí)添加石墨烯后成本增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其帶來的防腐收益，因此石墨烯有望成為傳統(tǒng)防腐涂料的良好升級(jí)替代品種。
石墨烯防腐機(jī)理
（1）石墨烯對(duì)小分子有很好的物理阻隔性。
（2）延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑：腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑被延長(zhǎng)，基體使用壽命增長(zhǎng)。
（3）與鋅粉形成有效的微導(dǎo)電循環(huán)通路從而有效地保證鋅粉作為陽極起到保護(hù)作用。
石墨烯本身具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)性質(zhì)，使其在物理防腐和電化學(xué)防腐方面都展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。
片層結(jié)構(gòu)可形成“迷宮式”結(jié)構(gòu)，能有效提高涂層的物理阻隔性。
由于其小尺寸效應(yīng)，可有效填充涂層缺陷，減少孔隙率，增強(qiáng)致密性。
片層結(jié)構(gòu)可以將涂層分割成許多小區(qū)間，能有效降低涂層內(nèi)應(yīng)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(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。
二、石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用
石墨烯的共軛體系結(jié)構(gòu)使其電子傳輸能力強(qiáng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)電物質(zhì)，石墨烯具有更加優(yōu)良的導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能，而且石墨烯比表面積大，導(dǎo)電滲流閾值低，只需很少的添加量即可達(dá)到導(dǎo)電的目的，是目前制備導(dǎo)電涂料的不二選擇。
目前，市場(chǎng)用量最多的導(dǎo)電填料是導(dǎo)電炭黑，一般添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以內(nèi)就能達(dá)到導(dǎo)靜電水平，成本遠(yuǎn)低于石墨烯。而石墨烯的優(yōu)勢(shì)則是添加量少，添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以內(nèi)即可達(dá)到導(dǎo)靜電水平。由于添加量少，石墨烯導(dǎo)電涂料的涂層的力學(xué)性能一般優(yōu)于炭黑導(dǎo)電涂料涂層的力學(xué)性能，因此石墨烯導(dǎo)電涂料能夠實(shí)現(xiàn)涂層導(dǎo)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(yīng)用
石墨烯在防火涂料中的阻燃機(jī)理被認(rèn)為是以下幾種阻燃作用的疊加：
石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)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脂進(jìn)行交聯(lián)復(fù)合，進(jìn)一步形成一層致密的保護(hù)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(xù)的碳層，阻隔作用更強(qiáng)。
研究表明：具有片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過程中會(huì)使自身和基體分子鏈取向，進(jìn)而在聚合物碳化過程中形成骨架結(jié)構(gòu)，增加碳層強(qiáng)度，達(dá)到阻燃和抑煙的目的。此外，由于石墨烯出色的屏蔽效應(yīng)，即使發(fā)生火災(zāi)，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(zāi)的危險(xiǎn)。
四、石墨烯在防污涂料中的應(yīng)用
防污涂料是涂裝于船底和海洋水下設(shè)施的一種特殊涂料，主要是通過在涂料中添加重金屬等毒料，在涂膜表面形成有毒表面層，將附著于涂膜的海洋生物殺死，達(dá)到防止海洋生物附著在船底或海洋水下設(shè)施的目的。
石墨烯具有極高的表面能和很強(qiáng)的疏水作用，微生物很難在石墨烯表面上生長(zhǎng)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(yīng)用
石墨烯本身熱導(dǎo)率高達(dá)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(dǎo)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(nèi)部溫度。
石墨烯改性散熱涂料能夠長(zhǎng)期在高溫下工作，耐磨抗沖擊性強(qiáng)，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。可以用于需要散熱的物件，如LED散熱，工業(yè)設(shè)備散熱，汽車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(yīng)用方式多數(shù)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(tuán)聚，因而無法充分發(fā)揮石墨烯單片層的優(yōu)異特性。由此帶來一個(gè)關(guān)鍵問題，就是如何解決石墨烯在涂料中的分散穩(wěn)定性。
一、解決石墨烯的選材及與水性涂料的配套問題
石墨烯的制備方法不同，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)也不盡相同。涂料是一個(gè)復(fù)雜的配套體系，各組分間協(xié)同發(fā)揮防護(hù)作用。目前關(guān)于石墨烯水性復(fù)合防腐涂料的研究趨于多樣化，不僅石墨烯的選擇多樣，而且成膜樹脂、顏填料、助劑的選擇也是多樣的，因此針對(duì)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(duì)此，有必要建立一個(gè)石墨烯及涂料的綜合評(píng)價(jià)體系，詳細(xì)考察不同結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)的石墨烯材料對(duì)不同組分水性涂料防護(hù)性能的影響，深入探索其作用機(jī)理，為后續(xù)水性防腐涂料專用石墨烯的選擇提供理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐依據(jù)。
二、解決石墨烯在水性涂料中的用量問題
在沒有添加石墨烯填料時(shí)，純樹脂在成膜過程易產(chǎn)生裂紋，涂層微觀多孔，腐蝕介質(zhì)很容易通過空隙、裂紋擴(kuò)散。當(dāng)添加理想含量時(shí)，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、上下交錯(cuò)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?jié)B透性。當(dāng)石墨烯填料添加量過大時(shí)，一方面由于其表面效應(yīng)，石墨烯發(fā)生聚集，在涂層中出現(xiàn)大量的無序堆積，形成硬的團(tuán)聚體成為涂料缺陷；另一方面石墨烯含量過高造成涂料的黏度、顏料體積濃度（PVC）過高，影響涂層的成膜性和附著力，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┖窟^低或過高都不能提供很好的防護(hù)性能，因此有必要考察石墨烯用量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、黏度、附著力以及防護(hù)性能的影響，并針對(duì)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題
石墨烯的高表面積、強(qiáng)范德華力和π-π 作用使其易發(fā)生團(tuán)聚，與水、有機(jī)溶劑以及聚合物間不能形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合，導(dǎo)致其與樹脂間的界面結(jié)合力微弱，相容性差，易發(fā)生相分離，嚴(yán)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，即通過共價(jià)鍵及非共價(jià)鍵修飾實(shí)現(xiàn)石墨烯的功能化，石墨烯和涂料樹脂的融合主要通過共混法和聚合法等。
總結(jié)于展望
目前來看，雖說石墨烯在涂料領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還存在很多關(guān)鍵性技術(shù)問題需要解決，如石墨烯與涂料中樹脂的復(fù)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(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)變成實(shí)際應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機(jī)理等。相信隨著研究的持續(xù)深入和科技的快速發(fā)展，這些問題都會(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(zhuǎn)型升級(jí)。