石墨烯在涂料领域中的应用探析

石墨烯在涂料领域中的应用探析

自从石墨烯诞生之日起，就受到世界范围内的高度关注。石墨烯作为碳单质的第三种形式，以其优异的物理性能、化学性能、电性能和热力学性能，在涂料行业一经使用，就有着十分突出的优异表现。文章围绕石墨烯在涂料领域的相关应用进行探讨，主要介绍了石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料方面的应用情况。

标签：石墨烯；涂料；导电；防腐

引言

使用工具是人类区别于其他动物的根本特征。人类的历史本质上是人类使用工具改造自然、认知世界的过程。优质的材料是工具发展的主要动力之一。许多次人类科学乃至社会上的重大进步，都是与新材料的发现、发明密切相关。石墨烯是21世纪重要的新型材料，其由多层片状结构组成，每层结构都是由碳原子经过sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格平面薄膜。石墨烯的理论已经提出了一段时间，但一直到2004年英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，才在实验室中人工分离出石墨烯单体，从而证实了石墨烯的存在。两位学者也因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是纳米材料中厚度最小、强度最大的种类。由于吸光率很低，只有 2.3%，所以外观几乎是完全透明的。石墨烯物理性能优异，导热性能比碳纳米管和金刚石还高，为5300W/m·K，室温环境下其电子迁移率大于15000cm2/vs，超过纳米碳管或硅晶体。石墨烯是当前世界上已知材料中导电性最好的材料，电阻率仅为10-8Ω·cm，低于铜或银。综上所述，石墨烯兼具比表面积大、导电性好、化学稳定性强、力学性能和导热性能优异等优点，一经问世，就受到世界各国的广泛关注。现阶段我国已经初步形成石墨烯工业化生产。石墨烯应用范围十分广阔，涂料是目前石墨烯众多应用领域中的一个重要组成部分。凭借各种优越性能，石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料等方面都有着非常深远的应用前景。下面就对石墨烯在涂料领域中的主要应用进行一下简要介绍与分析。

1 石墨烯在导电涂料领域的应用

1.1 汽车静电喷涂浅色底漆

汽车是重要的工业产品。作为汽车构成系统中的有机组成部分，汽车塑件具有很好的市场空间。当前汽车塑件涂装普遍采用常规空气喷涂方式作业。这种喷漆工业是以喷枪为工具，使用压缩空气为载体进行生产。在生产过程中，大量涂料以雾化形式散逸到空气中，不仅成本昂贵，而且会造成较为严重的空气污染。基于这个原因，汽车及涂料企业一直把更具有经济性、环保性的新型涂料作为汽车涂料的主要开发目标。其中，静电喷涂就是其中一個重要方向。静电喷涂以电场为涂装载体，不但涂料利用效率高，成本相对降低，有利于环境保护，还具有生产速度快，装饰性能高等优点。汽车组成构件中有很大一部分，比如说汽车车

身、保险杠、内外饰件等，都是塑料制品，无法形成电场。为了实现静电喷涂工艺，就要先在加工件表面先涂上一层导电底漆，然后在进行静电喷涂。当前汽车喷涂导电底漆主要通过添加导电炭黑使涂料具有导电性。由此导致导电底漆颜色较深，为了美观，往往要再喷涂一层底漆进行遮盖，然后再进行正式的静电喷涂。这种方法工艺复杂，也提高了成本，故此推广难度较大。使用石墨烯作为导电剂后，可以回避因为导电剂带来的底漆颜色变深问题，对于汽车静电喷涂的改进十分有利。数据显示，加入2%到4%的石墨烯后，底漆涂层值为40到50，完全可以满足汽车静电喷涂的色度要求。

1.2 导静电涂料

石墨烯在导电涂料中的另一个重要应用领域是导静电涂料。该种涂料表面电阻通常位于106到109之间，可以有效防止静电导走现象发生，故而一般应用于对防火、防爆等要求很高的场合。比如石油、化工、铁路、交通等行业贮油罐、输油管道、油轮等贮油、输油设备的内外壁，煤矿、航空、纺织、粮食等行业设备的防腐涂料一般都是使用导静电涂料作为防腐涂料，这样既可以最大限度防止设备腐蚀，又可以避免电荷集聚产生静电引发火灾事故的问题。石墨烯兼具良好的导电性和防腐蚀性，因而在导静电涂料中应用效果很好。

2 石墨烯在防腐涂料领域的应用

2.1 环氧富锌漆

防腐涂料一直是涂料的重要分支之一，在工业生产中应用十分广泛。在国民经济生产中，大量金属制品的使用使得设备防腐的要求很高，防腐涂料的市场需求呈现持续上升态势。统计数据显示，全球每年因为腐蚀所造成的经济损失高达万亿美元，远超自然灾害所带来的经济损失。在现有的环氧防腐涂料中加入石墨烯，处理在原有性能外，更提高了抗冲击性、附着力、耐水性、硬度等指标。在海洋工程、交通运输、大型工业设备及市政工程设施等领域的设备防腐方面应用十分广泛。

2.2 水性防腐涂料

环保涂料是当前涂料开发的主要方向。水性涂料由于VOC较低，因而成为环保涂料的重要发展目标。水性涂料使用水作为分散剂，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，可以有效改善这一点。

3 石墨烯在阻燃涂料领域的应用

石墨烯单体二次元结构，分散到漆膜中层层相叠，形成致密的隔离层，可以起到防火阻燃作用。如果在涂料中加入树脂，石墨烯还可以与树脂分子发生交联，进一步强化隔离效果，阻燃效果得到加强。另外，石墨烯涂料燃烧后的产物除了二氧化碳与水外，还会在原处留下连续分布的碳层，从而再次提高阻燃效果。基于这个原因，石墨烯在阻燃涂料方面也有着很好的应用。

4 石墨烯在高导热散热性涂料领域的应用

石墨烯具有很高的导热系数。在涂料中加入石墨烯，可以显著改善涂料的导热性能。因此，石墨烯改性就成为散热涂料的一个重要发展方向。此外，石墨烯比表面积很大，漆膜中含有一定数量的石墨烯，可以使漆膜散热面积大幅增加，有助于漆膜表面和内部热量的散发，使得内外温度趋于一致。由于石墨烯涂料具有很好的机械性能、耐腐蚀性和耐老化性，所以在许多条件严苛的使用环境中通常使用石墨烯涂料作为部件的散热涂料。

5 石墨烯在高强度涂料领域的应用

由于石墨烯的比表面积很高，因此具有很强的吸附力。涂料中添加石墨烯后，其在漆膜固化的过程中形成网状结构，极大地增强了漆膜和底材的粘结性，漆膜更加稳定，强度更好。试验结果显示，加入石墨烯后，涂料的耐冲击性能，耐摩擦性能，导热性，耐候性及防腐性能都有了较大改善。

6 结束语

随着社会的发展，人类对于各种高性能材料的需求会越来愈大，石墨烯以其极为优异的物理、电化学性能受到人们的高度关注，应用前景广阔。在涂料行业，特别是在文章所述及的导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、高强度涂料以及散热涂料方面，石墨烯的优异表现受到厂家的热烈欢迎，发展速度很快。我们相信，随着石墨烯性能以及涂料领域的深入研究，石墨烯在涂料领域势必会获得更加广阔的发展空间，产生更加突出的表现，推动涂料产业的进一步升级。

参考文献

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