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石墨烯在涂料领域的应用

发布时间:2021-09-24      点击次数:196
  石墨烯作为前沿的新型纳米材料,受到了全球科学家的广泛关注,多国都在争抢石墨烯研发的龙头地位。科学家甚至预言,石墨烯将会掀起一场席卷全球的性新技术、新产业革命。石墨烯之所以如此受欢迎是因为其同时具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性、高导热性等性能。石墨烯的应用范围极其广泛,从超级计算机到超级电容器,到复合材料,到涂料领域,石墨烯都大有作为,而应用最快的可能就在涂料领域[1]。
  1.涂料的概述:涂料一般由四种基本成分组成:颜料、成膜物质、溶剂和助剂。
  颜料:颜料兼顾面漆色彩和耐久性,起美观装饰作用,同时使涂料具有遮盖力,并提高强度和附着力,改变光泽,改善流动性和涂装性能。颜料分着色颜料、体质颜料和防锈颜料三类。
  成膜物质:涂料的基本成膜物质是树脂,因此树脂也叫做基料或漆基。涂料的基本物理机械性能大都是由树脂自身的特性所决定的。它的作用是使涂料具有一定的硬度、耐久性、弹性、附着力等,并具有一定的保护与装饰作用,如耐水、耐酸碱、耐各种介质、抗石击、抗划伤、光泽等。
  溶剂:溶剂的作用是辅助成膜。它能溶解或稀释油料或树脂,降低其黏稠度便于施工,并改善涂料的流平性,避免涂膜过厚、过薄、起皱等弊病。还能对涂料的成品在储存过程中起稳定作用,不使树脂析出或分离以及变稠、结皮等。溶剂分为挥发性溶剂和反应性溶剂,反应性溶剂可与涂料中的其他成分反应,不会挥发到大气中,有利于减少大气中VOC的排放量,保护环境。
  助剂:助剂的用量一般很少,但它对改善涂料的性能、延长储存时间、扩大涂料的应用范围、改进和调节涂料施工的性能、保证涂装品质等方面都起很大的作用。根据功能来划分,主要品种有润湿分散剂、防潮剂、消泡剂、流平剂、增稠剂和减光剂等[2]。
  2.石墨烯在涂料领域的应用:石墨烯是一种二维碳纳米材料,具有优异的热电传导性,并且还是一种完全零渗透率的材料,因而其在防腐涂料、导电涂料、防污涂料及防火涂料等领域引起了人们极大的关注,具有非常好的前景[3]。
  2.1石墨烯在防腐涂料中的应用
  2.1.1石墨烯防腐机制[4]
  ①屏蔽作用:传统涂料中的高聚物膜层都存在一定孔洞,孔洞平均直径约在10-5~10-7cm,但水和氧的分子直径通常只有十几纳米。石墨烯作为纳米材料,可以充分发挥其小尺寸效应填补到涂料的缺陷中,有效地阻隔水和氧气等气体原子的通过。
  ②缓蚀作用:为了增强涂层的防护能力会通过涂料本身成分和金属基体进行反应,使金属表面发生纯化或者形成具有防护性的膜层,石墨烯能对镀层金属起到钝化作用,进一步提高其耐蚀性能。
  ③加固作用:金属材料常用的聚合物涂层容易被刮坏,而石墨烯优良的机械性能和摩擦学性能可以提高材料的减摩、抗磨性能。
  2.1.2石墨烯防腐涂料:环氧树脂具有优异的机械性能,对基材的粘附性、耐腐蚀性、热稳定性好,且低成本,可以与不同的固化剂形成不同的涂料配方,这些优点使得环氧涂料成为防腐涂料中常用的品种。石墨烯与硅烷类、铝类、铁类等其他材料复合的协同作用,使得防腐性能有很大的提升。Ramezanzadeh等制备了3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)接枝氧化石墨烯,再利用溶胶-凝胶法制备功能化石墨烯填充硅烷基环氧树脂复合材料。通过电化学阻抗谱(EIS)、耐盐雾和阴极剥离试验研究了硅烷处理石墨烯对环氧涂料防腐性能的影响。结果表明:将功能化氧化石墨烯纳米片结合到硅烷膜中增强了环氧涂层的腐蚀保护性能和耐阴极剥离性能。
  聚氨酯涂料表现出优异的耐腐蚀性、耐溶剂性、耐磨损性、改进的阻隔性能和耐冲击性、划痕等性能,广泛应用于建筑、航空航天、汽车热屏障、海洋应用管道保护和装饰等领域。Mo等使用APTES提高石墨烯分散性,从而制备功能化石墨烯/聚氨酯复合材料,其具有优异的防腐性能。
  聚苯胺防腐涂料因其与多种金属之间形成致密的防腐蚀膜且价格低廉,从而在石油传送管道、军工产品、桥梁等防腐设施有较好的应用前景。Mahato等利用原位聚合法制备出石墨烯/聚苯胺复合防腐涂料,涂层不仅为腐蚀环境提供物理屏障,而且赋予非润湿性。复合涂层对钢的更好保护归因于石墨烯纳米片在复合结构中的均匀分散和聚苯胺协同作用[5]。
  此外还有石墨烯/聚乙烯醇缩丁醛防腐涂料、石墨烯/氟碳涂料等。
  2.2石墨烯在导电涂料中的应用[6]
  2.2.1汽车静电喷涂浅色底漆
  汽车生产过程中汽车塑件涂装普遍采用常规空气喷涂方式作业。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。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。但是汽车组成构建中有很大一部分是塑料制品,无法形成电场,所以要在加工件表面先涂一层导电底漆。
  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,最后再进行正式的静电喷涂。这种方法工艺复杂,成本也高,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。
  2.2.2导静电涂料[7]
  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。加了石墨烯的导静电涂料表面电阻通常在106到109之间,可以有效防止静电导走现象发生,所以一般应用于对防火、防爆等要求很高的场合。比如石油、铁路、化工、交通等行业中的贮油罐、输油管道、油轮等贮油、输油设备的内外壁,此外煤矿、航空、纺织、粮食等行业设备的防腐涂料一般都是导静电涂料,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。
  目前,抗静电涂料用途较为广泛,石墨烯凭借其较高的导电性、强的力学性能等特点,较容易制得高性能、高强度的抗静电涂料。
  章勇通过改变改性石墨烯的添加量,制备出了表面电阻率不同的抗静电涂层,且当石墨烯的添加量为0.5%时,涂层的表面电阻率将下降到109Ohm/sq,满足了抗静电涂料的标准要求。
  胡楠等利用水性丙烯酸树脂作为基料,测试不同的氧化石墨烯含量对抗静电涂层性能的影响。实验结果表明,当氧化石墨烯质量分数为3.5%时,涂层的体积电阻率达到2.604×107Ω·cm,此时冲击性能和耐老化性能也均最佳。
  2.3石墨烯在防火涂料中的应用[7]
  2.3.1石墨烯在防火涂料中的阻燃机理:
  ①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。
  ②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。
  ③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。
  2.3.2石墨烯用于防火涂料的实例
  李洪飞等以丙烯酸乳液为成膜物质,钛白粉为颜料,石墨烯作为协效阻燃/抑烟剂制备成防火涂料。研究结果表明:氧化石墨烯能有效提高涂料试样的耐燃时间和降低峰值生烟速率,当氧化石墨烯的添加量为0.025份时(以100份乳液记),试样耐燃时间可以增加59.5%,当添加0.125份时,试样的峰值生烟速率从0.024m2/s降至0.013m2/s。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。
  2.4石墨烯在建筑隔热涂料中的应用[9]
  石墨烯因其高导热系数,应用于建筑隔热涂料可有效降低建筑物的内部温度,节能效果明显。薛刚等通过回流法将石墨烯包裹在红外发射粉末表面,成功制备出一种含石墨烯、电气石及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,相比于普通散热涂料,含石墨烯的复合涂料红外发射率可达到96%,节约能耗约6.37%,具有良好的节能效果。
  2.5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护作用,且有较长的防污期效。于欢将石墨烯/二氧化钛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和表面性能等的影响,结果表明,石墨烯的加入显著提高了水性聚氨酯的抗菌灭菌性,使涂层防污性能得到极大的提升。
  2.6石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的应用
  石墨烯用于聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗渗性和物理力学性能。吕生华等通过溶液共混法将石墨烯加入到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。研究表明,因石墨烯中含有丰富的含氧基团能够调节水泥中水化产物的生长,因此使涂膜的拉伸强度、断裂伸长率和抗渗性等物理性能得到显著提升。
  3.结语:石墨烯因具有优异的物理阻隔性、高导电导热性、突出的力学性能和化学稳定性,使其在涂料行业中有着广泛应用。性能均得到广泛提高,这必将推动涂料产业的新一轮革命。然而目前仍面临着一些关键的技术问题,如:如何大规模低成本的制备高质量的石墨烯产品;对石墨烯功能改性方法的创新;研究石墨烯在聚合物中的作用机理,为其在涂料领域应用提供理论支撑伴随着石墨烯涂料的应用发展。我们坚信未来在石墨烯功能性涂料发展中出现的这些问题会逐渐解决,在功能性涂料行业的升级发展过程中,石墨烯将发挥重要作用。
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