石墨烯粉體

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石墨烯涂料應用簡析

2020-11-13 14:14:28

石墨烯作為最前沿的新型納米材料,受到了全球科學家的廣泛關注,多國都在爭搶石墨烯研發的龍頭地位。科學家甚至預言,石墨烯將會掀起一場席卷全球的顛覆性新技術、新產業革命。石墨烯之所以如此受歡迎是因為其同時具有高比表面積、快速導電性、優異的化學穩定性、突出的力學性、高導熱性等性能。石墨烯的應用范圍極其廣泛,從超級計算機到超級電容器,到復合材料,到涂料領域,石墨烯都大有作為,而應用最快的可能就在涂料領域。

一、涂料的概述

涂料一般由四種基本成分組成:顏料、成膜物質、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,同時使涂料具有遮蓋力,并提高強度和附著力,改變光澤,改善流動性和涂裝性能。顏料分著色顏料、體質顏料和防銹顏料三類。

成膜物質:涂料的基本成膜物質是樹脂,因此樹脂也叫做基料或漆基。涂料的基本物理機械性能大都是由樹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,并具有一定的保護與裝飾作用,如耐水、耐酸堿、耐各種介質、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,避免涂膜過厚、過薄、起皺等弊病。還能對涂料的成品在儲存過程中起穩定作用,不使樹脂析出或分離以及變稠、結皮等。溶劑分為揮發性溶劑和反應性溶劑,反應性溶劑可與涂料中的其他成分反應,不會揮發到大氣中,有利于減少大氣中VOC的排放量,保護環境。

助劑:助劑的用量一般很少,但它對改善涂料的性能、延長儲存時間、擴大涂料的應用范圍、改進和調節涂料施工的性能、保證涂裝品質等方面都起很大的作用。根據功能來劃分,主要品種有潤濕分散劑、防潮劑、消泡劑、流平劑、增稠劑和減光劑等

一、石墨烯在涂料領域的應用

石墨烯是一種二維碳納米材料,具有優異的熱電傳導性,并且還是一種完全零滲透率的材料,因而其在防腐涂料、導電涂料、防污涂料及防火涂料等領域引起了人們極大的關注,具有非常好的前景。

2.1石墨烯在防腐涂料中的應用

2.1.1石墨烯防腐機制

①屏蔽作用

傳統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,可以充分發揮其小尺寸效應填補到涂料的缺陷中,有效地阻隔水和氧氣等氣體原子的通過。

②緩蝕作用 為了增強涂層的防護能力會通過涂料本身成分和金屬基體進行反應,使金屬表面發生純化或者形成具有防護性的膜層,石墨烯能對鍍層金屬起到鈍化作用,進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,而石墨烯優良的機械性能和摩擦學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

環氧樹脂具有優異的機械性能,對基材的粘附性、耐腐蝕性、熱穩定性好,且低成本,可以與不同的固化劑形成不同的涂料配方,這些優點使得環氧涂料成為防腐涂料中最常用的品種。石墨烯與硅烷類、鋁類、鐵類等其他材料復合的協同作用,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氧樹脂復合材料。通過電化學阻抗譜(EIS)、耐鹽霧和陰極剝離試驗研究了硅烷處理石墨烯對環氧涂料防腐性能的影響。結果表明:將功能化氧化石墨烯納米片結合到硅烷膜中增強了環氧涂層的腐蝕保護性能和耐陰極剝離性能。

聚氨酯涂料表現出優異的耐腐蝕性、耐溶劑性、耐磨損性、改進的阻隔性能和耐沖擊性、劃痕等性能,廣泛應用于建筑、航空航天、汽車熱屏障、海洋應用管道保護和裝飾等領域。Mo等使用APTES提高石墨烯分散性,從而制備功能化石墨烯/聚氨酯復合材料,其具有優異的防腐性能。

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格低廉,從而在石油傳送管道、軍工產品、橋梁等防腐設施有較好的應用前景。Mahato等利用原位聚合法制備出石墨烯/聚苯胺復合防腐涂料,涂層不僅為腐蝕環境提供物理屏障,而且賦予非潤濕性。復合涂層對鋼的更好保護歸因于石墨烯納米片在復合結構中的均勻分散和聚苯胺協同作用。

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石墨烯在導電涂料中的應用

2.2.1汽車靜電噴涂淺色底漆

汽車生產過程中汽車塑件涂裝普遍采用常規空氣噴涂方式作業。大量涂料以霧化形式散逸到空氣中,不僅成本昂貴,而且會造成較為嚴重的空氣污染。靜電噴涂以電場為涂裝載體,不但涂料利用效率高,成本相對降低,有利于環境保護,還具有生產速度快,裝飾性能高等優點。但是汽車組成構建中有很大一部分是塑料制品,無法形成電場,所以要在加工件表面先涂一層導電底漆。

當前汽車噴涂導電底漆主要通過添加導電炭黑使涂料具有導電性。由此導致導電底漆顏色較深,為了美觀,往往要再噴涂一層底漆進行遮蓋,最后再進行正式的靜電噴涂。

這種方法工藝復雜,成本也高,故此推廣難度較大。使用石墨烯作為導電劑后,可以回避因為導電劑帶來的底漆顏色變深問題,對于汽車靜電噴涂的改進十分有利。數據顯示,加入2%到4%的石墨烯后,底漆涂層值為40到50,完全可以滿足汽車靜電噴涂的色度要求。

2.2.2導靜電涂料

石墨烯兼具良好的導電性和防腐蝕性,因而在導靜電涂料中應用效果很好。加了石墨烯的導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走現象發生,所以一般應用于對防火、防爆等要求很高的場合。比如石油、鐵路、化工、交通等行業中的貯油罐、輸油管道、油輪等貯油、輸油設備的內外壁,此外煤礦、航空、紡織、糧食等行業設備的防腐涂料一般都是導靜電涂料,這樣既可以大限度防止設備腐蝕,又可以避免電荷集聚產生靜電引發火災事故的問題。

目前,抗靜電涂料用途較為廣泛,石墨烯憑借其較高的導電性、強的力學性能等特點,較容易制得高性能、高強度的抗靜電涂料。

章勇通過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,且當石墨烯的添加量為0.5%時,涂層的表面電阻率將下降到109Ohm/sq,滿足了抗靜電涂料的標準要求。

胡楠等利用水性丙烯酸樹脂作為基料,測試不同的氧化石墨烯含量對抗靜電涂層性能的影響。實驗結果表明,當氧化石墨烯質量分數為3.5% 時,涂層的體積電阻率達到 2.604×107Ω·cm,此時沖擊性能和耐老化性能也均好。

2.3石墨烯在防火涂料中的應用

2.3.1石墨烯在防火涂料中的阻燃機理:

①石墨烯的二維片層結構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脂進行交聯復合,進一步形成一層致密的保護膜,起到阻隔空氣的作用,從而發揮阻燃的效果。

③在高溫下石墨烯涂層燃燒產生二氧化碳和水,并生成更加致密、連續的碳層,阻隔作用更強。

2.3.2石墨烯用于防火涂料的實例

李洪飛等以丙烯酸乳液為成膜物質,鈦白粉為顏料,石墨烯作為協效阻燃/抑煙劑制備成防火涂料。研究結果表明:氧化石墨烯能有效提高涂料試樣的耐燃時間和降低峰值生煙速率,當氧化石墨烯的添加量為0.025份時(以100份乳液記),試樣耐燃時間可以增加59.5%,當添加0.125份時,試樣的峰值生煙速率從0.024m2/s降至0.013m2/s。具有片層結構的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過程中會使自身和基體分子鏈取向,進而在聚合物碳化過程中形成骨架結構,增加碳層強度,達到阻燃和抑煙的目的。

2.4石墨烯在建筑隔熱涂料中的應用

石墨烯因其高導熱系數,應用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內部溫度,節能效果明顯。薛剛等通過回流法將石墨烯包裹在紅外發射粉末表面,成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過渡金屬氧化物的復合散熱涂料。

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,含石墨烯的復合涂料紅外發射率可達到96%,節約能耗約6.37%,具有良好的節能效果。

2.5石墨烯在海洋防污涂料中的應用

海洋防污涂料是一種特種涂料,對植物和動物性海洋附著生物有防護作用,且有較長的防污期效。于歡將石墨烯/二氧化鈦復合材料添加到水性聚氨酯涂料中,研究其對涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響,結果表明,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。

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2.6石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應用

石墨烯用于聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗滲性和物理力學性能。呂生華等通過溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類聚合物與水泥復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能夠調節水泥中水化產物的生長,因此使涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率和抗滲性等物理性能得到顯著提升。

三、結語

石墨烯因具有優異的物理阻隔性、高導電導熱性、突出的力學性能和化學穩定性,使其在涂料行業中有著廣泛應用。性能均得到廣泛提高,這必將推動涂料產業的新一輪革命。

然而目前仍面臨著一些關鍵的技術問題,如:如何大規模低成本的制備高質量的石墨烯產品;對石墨烯功能改性方法的創新;研究石墨烯在聚合物中的作用機理,為其在涂料領域應用提供理論支撐伴隨著石墨烯涂料的應用發展。

我們堅信未來在石墨烯功能性涂料發展中出現的這些問題會逐漸解決,在功能性涂料行業的升級發展過程中,石墨烯將發揮重要作用。


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