一文了解石墨烯在功能涂料中的应用特性及发展趋势!

石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能,石墨烯作为功能性添加剂,能赋予涂料导电、防腐、阻燃、导热和高强度等特殊功能,如利用石墨烯的物理阻隔性能,可提高涂料的防腐、防污、阻燃效果;利用其高导电、高导热性能,可开发导电涂料、散热涂料、电磁屏蔽涂料等。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,厚度在一个纳米以下,具有非常良好的抗拉强度及透光、导电和导热性能,被誉为新世纪的“材料之王”。

一文了解石墨烯在功能涂料中的应用特性及发展趋势!

石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能,石墨烯作为功能性添加剂,能赋予涂料导电、防腐、阻燃、导热和高强度等特殊功能,如利用石墨烯的物理阻隔性能,可提高涂料的防腐、防污、阻燃效果;利用其高导电、高导热性能,可开发导电涂料、散热涂料、电磁屏蔽涂料等。

1、石墨烯在功能涂料中的应用特性

(1)石墨烯在导电涂料中的应用

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。

此外,由于石墨烯的物理阻隔性能可以提高漆膜的致密性,进而提高漆膜的耐溶剂和耐腐蚀性,能够既导静电又耐腐蚀,可以用作石油、化工等领域的导静电涂料。

(2)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:

一是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。

二是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。

三是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。

(3)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。

(4)石墨烯在重防腐涂料中的应用

石墨烯由于屏蔽性好,比表面积大,很容易在涂层中形成致密薄膜,对于提高防腐性能有很大帮助。研究证明,CVD生长的石墨烯可以在铜、铝等金属表面形成保护层,防止金属的氧化和腐蚀。

氧化还原制备的石墨烯可以与有机树脂混合制备复合材料涂层,发挥石墨烯的屏蔽作用和树脂优异的附着能力,达到长效防腐的目的,用其制备的石墨烯涂层相比于普通涂层,可以使低合金钢的腐蚀速率降低1个数量级。

除常规防腐蚀之外,石墨烯还可以与金属中的氢发生化学反应,防止氢脆的发生。此外,由于石墨烯可以提高金属耐微生物腐蚀能力,也可以用作生物环境防腐保护层。

除现在发展迅速的石墨烯-锌粉防腐涂料外,单纯利用石墨烯物理阻隔防腐的涂料有良好的效果。Applied Graphene Materials 公司制备的石墨烯环氧涂料,经测试,加入石墨烯之后,涂层水蒸气透过率降低95%,耐盐雾试验时间提升5倍。说明在轻防腐领域,石墨烯的物理阻隔性能能够大幅提升涂层的防腐效果。

(5)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。

目前,加拿大Grafoid公司已经与Captherm公司签订合作协议开发用于LED的石墨烯散热涂料,国内也有多家公司在开发石墨烯散热涂料和石墨烯碳纳米管复合散热涂料,并取得一定的进展。

(6)石墨烯在高强度高耐候涂料中的应用

石墨烯本身优异的力学性能可以制备高强度高耐候涂料。在涂层中加入石墨烯,在干燥过程中形成致密网络结构,能够显著提升涂层的硬度和耐磨性能,尤其是有利于解决水性聚氨酯涂料硬度低的问题。同时石墨烯还能捕捉涂层中的自由基,延长涂层寿命。

(7)石墨烯在抗菌涂料中的应用

纳米TiO2作为光催化纳米材料的一种,有抗菌灭菌作用,但它对于可见光吸收率较低,纳米粒子趋向于聚集,大大降低了其灭菌作用。在含纳米TiO2抗菌涂料中,引入5%以下的石墨烯,明显提高涂料对可见光吸收率,并加强纳米TiO2的光催化活性和抗菌、灭菌能力,使改性后的水性聚氨酯在抗菌灭菌综合性能方面有很大提高,并且具有良好的表面性能、耐水性和力学性能。

2、石墨烯在功能涂料中的发展趋势

目前石墨烯在功能性涂料方面的应用已经取得了很大的进展,但是除了防腐涂料外,其他多数研究还停留在实验室阶段。主要原因有以下几个方面:

(1)涂料行业是一个对成本十分敏感的行业,相比于现在常用的涂料填料,石墨烯的价格相对偏高,因此限制了其应用。

(2)石墨烯表面能高,在水和涂料的常用溶剂如二甲苯、醋酸丁酯中难以分散,与此同时,石墨烯涂料的性能严重依赖于石墨烯在涂料中的分散程度,因此常规的简单分散手段不适用于石墨烯涂料。

(3)目前石墨烯相关标准缺乏,导致市场上石墨烯产品性能参差不齐,对应用开发有很大的误导。

(4)目前缺乏石墨烯涂料应用标准,按照现在的标准在应用石墨烯涂料时不能发挥出石墨烯涂料的优势。

(5)在实际应用过程中,通常需要涂多层涂料,因此需要考虑涂层的配套性问题,石墨烯涂料由于发展时间短,缺乏相应的验证数据,在一定程度上限制了其应用。

基于以上原因,石墨烯涂料的发展目标将定位于高性能功能性涂料,利用石墨烯的优异性能实现涂料性能的大幅提升。目前在石墨烯功能性涂料发展中出现的问题会逐渐解决,石墨烯必将推动涂料的新一轮产业转型升级。

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