石墨烯的结构特性及在涂料中的应用研究

摘要：对石墨烯的定义及其结构特性进行了概述，介绍了石墨烯在防腐涂料、导电涂料，建筑隔热涂料，海洋防污涂料，聚合物水泥防水涂料和阻燃涂料中的应用，并对石墨烯在涂料中的应用进行了展望。

关键词：石墨烯  结构特性 涂料 应用

0 引言

石墨烯是继富勒烯和碳纳米管之后出现的一种新型二维碳纳米材料，是纳米材料科学领域的一颗耀眼的新星, 并迅速成为材料科学的研究热点。此前，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，2人也因在石墨烯的研究方面取得了开创性成果，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。此后，石墨烯引起了世界各国的研发和追捧热潮，不断有新的成果被报道。Fang等发现石墨烯和PMMA之间的产生周期性褶皱，是由于二者间有较大的热膨胀系数差别所致，而且这些周期性褶皱会影响到石墨烯的电学性质。杨建峰等采用溶液混合和超声分散法使石墨烯较好地分散在聚乙烯基体中，该复合材料的渗流阈值是3.6%。当石墨烯质量分数超过6%时，电阻率趋于稳定。众多国内外研究学者围绕石墨烯的制备及在各科技领域的应用共同探索和创新，逐步发现了石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、高导热性和高硬度等特性使其在涂料中得到广泛应用，并获得了较好的应用成果。本文就对石墨烯的定义、结构特性以及在涂料领域中的主要应用进行了阐述，并对石墨烯在涂料中的应用进行了展望。

1  石墨烯的定义与结构特性

1.1  石墨烯的定义

石墨烯是一种新型的由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一层被剥离的“石墨片”，被认为是零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的体相石墨的母体。理论上石墨烯是构成其他维度碳材料的基本材料，石墨烯不仅可以覆盖成零维的富勒烯，也可以卷曲成一维的碳纳米管，还可以堆积成三维的石墨。

1.2  石墨烯的结构特性

石墨烯是世界上迄今发现最薄的纳米材料，石墨烯薄膜只有1个碳原子厚度，10万层石墨烯叠加起来的厚度约为1根头发丝的直径，而且由于吸光率很低，只有2.3%，它的外观几乎是完全透明的。同时，石墨烯又是已知在世上强度最高的材料之一，其强度高达130 GPa，比最好的钢铁还要高100倍，要拉断相同截面的单层石墨烯所需的力是钢材的200倍。另外，石墨烯还是良好的导热体，导热系数高5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。而且，石墨烯独特的载流子特性，使其电子迁移率达到2×105cm2/(V·s)，超过硅100倍，且几乎不随温度变化而变化。综上可知，石墨烯纳米材料具有“至薄、至坚”、优良的导热性和电子迁移率等特性。

2  石墨烯在涂料中的应用

因石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、高导热性等特性使其在涂料中的应用引起了人们的广泛关注，并由此展开了大量的研究工作。

2.1  石墨烯在防腐涂料中的应用

2.1.1  环氧富锌防腐涂料

均匀分散的石墨烯能在涂层中形成物理隔绝层，起到屏蔽作用。将其加入到环氧富锌漆中，可在涂料中形成网状导电结构，提高锌粉的利用率，加强锌粉对钢板的阴极保护作用，具有更佳的保护效果。有研究表明，在环氧富锌防腐涂料中添加1.0%的石墨烯，可使耐盐雾性从624 h提高到2500 h，防腐性能提高明显。田振宇等研究了石墨烯在重防腐涂料中的应用。研究表明，石墨烯的加入使环氧富锌防腐涂料中锌的利用率明显提高，发挥了良好的阴极保护协同作用，大大降低了锌粉的用量，减少了施工时的粉尘污染。当石墨烯含量l％时，锌烯复合涂层的物理机械性能和耐盐雾性能随石墨烯含量的升高而增大。

2.1.2  水性防腐涂料

水性防腐涂料是一种环保、绿色涂料，由于VOC 较低，成为防腐涂料的重要发展方向，在防腐涂料领域方面的应用呈上升趋势。水性防腐涂料是以水为分散剂，表面张力大，漆膜成膜性一直不够理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，可以有效改善这一缺点。但由于水自身的特点，表面张力大，导致了水性防腐涂料的成膜性能、漆膜防腐性能总体上都不及溶剂型防腐涂料。巨浩波等采用溶液超声法制备了石墨烯/硅丙乳液复合材料，结果表明，当石墨烯用量为0.7%时，其在高分子基体中的分散状态最好，与不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，复合材料的拉伸强度提高了15.5%，断裂伸长率下降了3.6%，耐水性提高了14%，失重5%时的热分解温度提高了43℃，防腐蚀性能也得到了极大提升。王耀文等研究发现，将0.5%～2%不同含量石墨烯作为防腐填料分别加入到水性环氧树脂涂料中，有效地提高了涂层的防腐性能，随着石墨烯含量的增加，涂料的防腐性能先提高后降低，当石墨烯含量为1.0%的涂层防腐效果最好。

2.2  石墨烯在导电涂料中的应用

石墨烯本身的共轭体系使其电子传输能力很强，具有优异的导电性能，这使得它在导电涂料领域具有非常大的应用潜力。赖奇等利用不同的插层刹对石墨烯进行改性，在减少了石墨烯之间团聚的同时提高了石墨烯在树脂基体中的分散稳定性。将改性后的石墨烯加入到丙烯酸树脂中，研究表明：石墨烯的加入低了涂层电阻率，导电性能得到提高。相比于传统的导电介质，如银粉 、铜粉 、氧化锌等，石墨烯除了拥有良好的导电性能外，还具备优异的热性能和透光性。北京大学的方岱宁等人将天然石墨在氧化剂中氧化后，经两步化学还原法得到有机分子修饰的石墨烯水溶液，加入聚酯、助剂和交联剂、催化剂，经液态共混，制备得到具有高导电性能和力学性能的水性导电石墨烯涂料。Ma等采用苯二胺还原氧化石墨纳米片，成功制备出高稳定性有机溶剂分散的石墨烯材料，并采用电泳沉积法获得了高导电性的石墨烯涂膜，其电导率达150 s/cm。陕西科技大学的罗晓民等用二元胺对氧化石墨烯进行氨基化改性，后用化学还原恢复石墨烯的共轭导电体系，利用石墨烯表面的-NH与-NCO封端的水性聚氨酯原位聚合，制得含石墨烯的水性聚氨酯导电涂料。

2.3  石墨烯在建筑隔热涂料中的应用

石墨烯的导热系数高，将其用于建筑隔热涂料可有效降低建筑物的内部温度，增强节能效果。薛刚等采用回流法将石墨烯包裹在红外发射粉末表面，制备了一种含石墨烯、电气石和过渡金属氧化物的复合散热涂料。研究表明，石墨烯可降低红外颗粒的热阻，与普通散热涂料相比，含石墨烯的复合涂料红外发射率达到96%，节能6.37%，体现出良好的节能效果。

2.4 石墨烯在海洋防污涂料中的应用

海洋防污涂料是一种特种涂料，对植物和动物性海洋附着生物有防附作用，且有较长的防污期效。Hu等发现氧化石墨烯是一种优良的抗菌材料。利用石墨烯的这一特性，于欢将石墨烯/TiO2 复合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其对涂料的抗菌灭菌性、表面性能等的影响。结果表明，显著提高改性水性聚氨酯的抗菌灭菌性，使涂层具有良好的防污性能。岳鑫将改性石墨烯加入到环氧树脂中，对其防腐防污性能进行研究。结果表明，改性石墨烯因分散更均匀，加入改性石墨烯可以更有效地提高涂层的防腐防污性。刘文超以氧化石墨烯作为纳米银的载体，制备了氧化石墨烯/纳米银复合材料。结果表明，复合材料具有良好的抑菌性和明显的杀菌效果，可用于制备海洋防污涂料。

2.5  石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的应用

氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗渗性以及物理力学性能。吕生华等采用溶液共混法将石墨烯加入到以丙烯酸酯类聚合物与水泥复合而成的聚合物水泥防水涂料中，石墨烯丰富的含氧基团可调节水泥水化产物的生长，使涂膜的拉伸强度、断裂伸长率、抗渗性等物理性能得到明显提升。

2.6 石墨烯在阻燃涂料中的应用

石墨烯的二维片层结构，使其在涂料中层层叠加，可形成致密的物理隔绝层，起到突出的物理隔绝作用，提高阻燃性能。李洪飞等在丙烯酸膨胀阻燃涂料中加入氧化石墨烯，对其阻燃性能进行了研究。结果表明，将适量的氧化石墨烯加入到阻燃体系中，会在涂料受热膨胀时诱导聚合物分子链取向和生成“骨架”物质而显著增强碳层，发挥阻燃作用。当加量为2.5%时效果最佳，耐燃时间增加 42％。

3  结语

石墨烯是一种新型功能材料，具有比表面积高、导电性快、化学稳定性优异、力学性能突出、导热性高等性能，使其在涂料中有广泛应用。石墨烯在防腐、导电、建筑隔热、海洋防污和阻燃等功能涂料体系中均可以大幅提高涂料的综合性能，展现了诱人的潜在前景。目前，虽说石墨烯在涂料中的发展势头较好，然而却不能说“已入佳境”，还有很多关键技术问题需要解决。如石墨烯与涂料树脂复合方法、助剂选择、功能性改进；石墨烯的实验室研究成果如何转变达到实用并产业化；石墨烯在涂料体系中的作用机理等。相信随着研究的深入和科技的发展，这些问题都会迎刃而解，石墨烯也必将推动涂料产业的新一轮转型升级。

文章：现代涂料与涂装

欢迎关注家居荟