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石墨烯作為前沿的新型納米材料，受到了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，多國(guó)都在爭(zhēng)搶石墨烯研發(fā)的龍頭地位。科學(xué)家甚至預(yù)言，石墨烯將會(huì)掀起一場(chǎng)席卷全球的性新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)革命。石墨烯之所以如此受歡迎是因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有高比表面積、快速導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、突出的力學(xué)性、高導(dǎo)熱性等性能。石墨烯的應(yīng)用范圍極其廣泛，從超級(jí)計(jì)算機(jī)到超級(jí)電容器，到復(fù)合材料，到涂料領(lǐng)域，石墨烯都大有作為，而應(yīng)用最快的可能就在涂料領(lǐng)域[1]。
1.涂料的概述：涂料一般由四種基本成分組成：顏料、成膜物質(zhì)、溶劑和助劑。
顏料：顏料兼顧面漆色彩和耐久性，起美觀裝飾作用，同時(shí)使涂料具有遮蓋力，并提高強(qiáng)度和附著力，改變光澤，改善流動(dòng)性和涂裝性能。顏料分著色顏料、體質(zhì)顏料和防銹顏料三類。
成膜物質(zhì)：涂料的基本成膜物質(zhì)是樹(shù)脂，因此樹(shù)脂也叫做基料或漆基。涂料的基本物理機(jī)械性能大都是由樹(shù)脂自身的特性所決定的。它的作用是使涂料具有一定的硬度、耐久性、彈性、附著力等，并具有一定的保護(hù)與裝飾作用，如耐水、耐酸堿、耐各種介質(zhì)、抗石擊、抗劃傷、光澤等。
溶劑：溶劑的作用是輔助成膜。它能溶解或稀釋油料或樹(shù)脂，降低其黏稠度便于施工，并改善涂料的流平性，避免涂膜過(guò)厚、過(guò)薄、起皺等弊病。還能對(duì)涂料的成品在儲(chǔ)存過(guò)程中起穩(wěn)定作用，不使樹(shù)脂析出或分離以及變稠、結(jié)皮等。溶劑分為揮發(fā)性溶劑和反應(yīng)性溶劑，反應(yīng)性溶劑可與涂料中的其他成分反應(yīng)，不會(huì)揮發(fā)到大氣中，有利于減少大氣中VOC的排放量，保護(hù)環(huán)境。
助劑：助劑的用量一般很少，但它對(duì)改善涂料的性能、延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間、擴(kuò)大涂料的應(yīng)用范圍、改進(jìn)和調(diào)節(jié)涂料施工的性能、保證涂裝品質(zhì)等方面都起很大的作用。根據(jù)功能來(lái)劃分，主要品種有潤(rùn)濕分散劑、防潮劑、消泡劑、流平劑、增稠劑和減光劑等[2]。
2.石墨烯在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用：石墨烯是一種二維碳納米材料，具有優(yōu)異的熱電傳導(dǎo)性，并且還是一種*零滲透率的材料，因而其在防腐涂料、導(dǎo)電涂料、防污涂料及防火涂料等領(lǐng)域引起了人們極大的關(guān)注，具有非常好的前景[3]。
2.1石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用
2.1.1石墨烯防腐機(jī)制[4]
①屏蔽作用：傳統(tǒng)涂料中的高聚物膜層都存在一定孔洞，孔洞平均直徑約在10-5~10-7cm，但水和氧的分子直徑通常只有十幾納米。石墨烯作為納米材料，可以充分發(fā)揮其小尺寸效應(yīng)填補(bǔ)到涂料的缺陷中，有效地阻隔水和氧氣等氣體原子的通過(guò)。
②緩蝕作用：為了增強(qiáng)涂層的防護(hù)能力會(huì)通過(guò)涂料本身成分和金屬基體進(jìn)行反應(yīng)，使金屬表面發(fā)生純化或者形成具有防護(hù)性的膜層，石墨烯能對(duì)鍍層金屬起到鈍化作用，進(jìn)一步提高其耐蝕性能。
③加固作用：金屬材料常用的聚合物涂層容易被刮壞，而石墨烯優(yōu)良的機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能可以提高材料的減摩、抗磨性能。
2.1.2石墨烯防腐涂料：環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的機(jī)械性能，對(duì)基材的粘附性、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性好，且低成本，可以與不同的固化劑形成不同的涂料配方，這些優(yōu)點(diǎn)使得環(huán)氧涂料成為防腐涂料中常用的品種。石墨烯與硅烷類、鋁類、鐵類等其他材料復(fù)合的協(xié)同作用，使得防腐性能有很大的提升。Ramezanzadeh等制備了3－氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)接枝氧化石墨烯，再利用溶膠－凝膠法制備功能化石墨烯填充硅烷基環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。通過(guò)電化學(xué)阻抗譜(EIS)、耐鹽霧和陰極剝離試驗(yàn)研究了硅烷處理石墨烯對(duì)環(huán)氧涂料防腐性能的影響。結(jié)果表明：將功能化氧化石墨烯納米片結(jié)合到硅烷膜中增強(qiáng)了環(huán)氧涂層的腐蝕保護(hù)性能和耐陰極剝離性能。
聚氨酯涂料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性、耐溶劑性、耐磨損性、改進(jìn)的阻隔性能和耐沖擊性、劃痕等性能，廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天、汽車熱屏障、海洋應(yīng)用管道保護(hù)和裝飾等領(lǐng)域。Mo等使用APTES提高石墨烯分散性，從而制備功能化石墨烯/聚氨酯復(fù)合材料，其具有優(yōu)異的防腐性能。
聚苯胺防腐涂料因其與多種金屬之間形成致密的防腐蝕膜且價(jià)格低廉，從而在石油傳送管道、軍工產(chǎn)品、橋梁等防腐設(shè)施有較好的應(yīng)用前景。Mahato等利用原位聚合法制備出石墨烯/聚苯胺復(fù)合防腐涂料，涂層不僅為腐蝕環(huán)境提供物理屏障，而且賦予非潤(rùn)濕性。復(fù)合涂層對(duì)鋼的更好保護(hù)歸因于石墨烯納米片在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的均勻分散和聚苯胺協(xié)同作用[5]。
此外還有石墨烯/聚乙烯醇縮丁醛防腐涂料、石墨烯/氟碳涂料等。
2.2石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用[6]
2.2.1汽車靜電噴涂淺色底漆
汽車生產(chǎn)過(guò)程中汽車塑件涂裝普遍采用常規(guī)空氣噴涂方式作業(yè)。大量涂料以霧化形式散逸到空氣中，不僅成本昂貴，而且會(huì)造成較為嚴(yán)重的空氣污染。靜電噴涂以電場(chǎng)為涂裝載體，不但涂料利用效率高，成本相對(duì)降低，有利于環(huán)境保護(hù)，還具有生產(chǎn)速度快，裝飾性能高等優(yōu)點(diǎn)。但是汽車組成構(gòu)建中有很大一部分是塑料制品，無(wú)法形成電場(chǎng)，所以要在加工件表面先涂一層導(dǎo)電底漆。
當(dāng)前汽車噴涂導(dǎo)電底漆主要通過(guò)添加導(dǎo)電炭黑使涂料具有導(dǎo)電性。由此導(dǎo)致導(dǎo)電底漆顏色較深，為了美觀，往往要再噴涂一層底漆進(jìn)行遮蓋，最后再進(jìn)行正式的靜電噴涂。這種方法工藝復(fù)雜，成本也高，故此推廣難度較大。使用石墨烯作為導(dǎo)電劑后，可以回避因?yàn)閷?dǎo)電劑帶來(lái)的底漆顏色變深問(wèn)題，對(duì)于汽車靜電噴涂的改進(jìn)十分有利。數(shù)據(jù)顯示，加入2%到4%的石墨烯后，底漆涂層值為40到50，*可以滿足汽車靜電噴涂的色度要求。
2.2.2導(dǎo)靜電涂料[7]
石墨烯兼具良好的導(dǎo)電性和防腐蝕性，因而在導(dǎo)靜電涂料中應(yīng)用效果很好。加了石墨烯的導(dǎo)靜電涂料表面電阻通常在106到109之間，可以有效防止靜電導(dǎo)走現(xiàn)象發(fā)生，所以一般應(yīng)用于對(duì)防火、防爆等要求很高的場(chǎng)合。比如石油、鐵路、化工、交通等行業(yè)中的貯油罐、輸油管道、油輪等貯油、輸油設(shè)備的內(nèi)外壁，此外煤礦、航空、紡織、糧食等行業(yè)設(shè)備的防腐涂料一般都是導(dǎo)靜電涂料，這樣既可以最大限度防止設(shè)備腐蝕，又可以避免電荷集聚產(chǎn)生靜電引發(fā)火災(zāi)事故的問(wèn)題。
目前，抗靜電涂料用途較為廣泛，石墨烯憑借其較高的導(dǎo)電性、強(qiáng)的力學(xué)性能等特點(diǎn)，較容易制得高性能、高強(qiáng)度的抗靜電涂料。
章勇通過(guò)改變改性石墨烯的添加量，制備出了表面電阻率不同的抗靜電涂層，且當(dāng)石墨烯的添加量為0.5%時(shí)，涂層的表面電阻率將下降到109Ohm/sq，滿足了抗靜電涂料的標(biāo)準(zhǔn)要求。
胡楠等利用水性丙烯酸樹(shù)脂作為基料，測(cè)試不同的氧化石墨烯含量對(duì)抗靜電涂層性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)，涂層的體積電阻率達(dá)到2.604×107Ω·cm，此時(shí)沖擊性能和耐老化性能也均最佳。
2.3石墨烯在防火涂料中的應(yīng)用[7]
2.3.1石墨烯在防火涂料中的阻燃機(jī)理：
①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。
②石墨烯可以與涂料中樹(shù)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。
③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)。
2.3.2石墨烯用于防火涂料的實(shí)例
李洪飛等以丙烯酸乳液為成膜物質(zhì)，鈦白粉為顏料，石墨烯作為協(xié)效阻燃/抑煙劑制備成防火涂料。研究結(jié)果表明：氧化石墨烯能有效提高涂料試樣的耐燃時(shí)間和降低峰值生煙速率，當(dāng)氧化石墨烯的添加量為0.025份時(shí)(以100份乳液記)，試樣耐燃時(shí)間可以增加59.5%，當(dāng)添加0.125份時(shí)，試樣的峰值生煙速率從0.024m2/s降至0.013m2/s。具有片層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，增加碳層強(qiáng)度，達(dá)到阻燃和抑煙的目的。
2.4石墨烯在建筑隔熱涂料中的應(yīng)用[9]
石墨烯因其高導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內(nèi)部溫度，節(jié)能效果明顯。薛剛等通過(guò)回流法將石墨烯包裹在紅外發(fā)射粉末表面，成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過(guò)渡金屬氧化物的復(fù)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(fù)合涂料紅外發(fā)射率可達(dá)到96%，節(jié)約能耗約6.37%，具有良好的節(jié)能效果。
2.5石墨烯在海洋防污涂料中的應(yīng)用
海洋防污涂料是一種特種涂料，對(duì)植物和動(dòng)物性海洋附著生物有防護(hù)作用，且有較長(zhǎng)的防污期效。于歡將石墨烯/二氧化鈦復(fù)合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對(duì)涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響，結(jié)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。
2.6石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應(yīng)用
石墨烯用于聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗?jié)B性和物理力學(xué)性能。呂生華等通過(guò)溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類聚合物與水泥復(fù)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(tuán)能夠調(diào)節(jié)水泥中水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)，因此使涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和抗?jié)B性等物理性能得到顯著提升。
3.結(jié)語(yǔ)：石墨烯因具有優(yōu)異的物理阻隔性、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、突出的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使其在涂料行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。性能均得到廣泛提高，這必將推動(dòng)涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪革命。然而目前仍面臨著一些關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，如：如何大規(guī)模低成本的制備高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品；對(duì)石墨烯功能改性方法的創(chuàng)新；研究石墨烯在聚合物中的作用機(jī)理，為其在涂料領(lǐng)域應(yīng)用提供理論支撐伴隨著石墨烯涂料的應(yīng)用發(fā)展。我們堅(jiān)信未來(lái)在石墨烯功能性涂料發(fā)展中出現(xiàn)的這些問(wèn)題會(huì)逐漸解決，在功能性涂料行業(yè)的升級(jí)發(fā)展過(guò)程中，石墨烯將發(fā)揮重要作用。
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