石墨烯在涂料领域中的应用.doc

石墨烯在涂料领域中的应用（1） 1 概 述 1.1 石墨烯定义 石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的新型单层片状结构的二维(2D)材料，是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜。碳原子核外层电子排布为1s22s22p2，sp2杂化是由1个s轨道和2个p轨道杂化形成的杂化轨道。维 (dimension，简写为D)表示长、宽、高、厚等尺寸。对纳米材料，0D表示纳米粒子；1D表示纳米线，如碳纳米管等；2D表示纳米尺寸的薄膜；3D是表示纳米复合材料。 1.2 石墨烯结构特性 石墨烯晶体材料具有“至薄、至坚”、优良的热导体和电子迁移率等特性。 1.2.1 “至薄”晶体材料 石墨烯是世界上迄今发现的 “至薄”晶体材料， 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；300万层石墨烯薄膜叠起来只有1 mm厚。 1.2.2 “至坚”晶体材料 石墨烯是迄今发现的世界上力学性能最好的材料之一。表征石墨烯在外应力作用下抵抗变形能力大小的模量可达1 T(1012)Pa；反映石墨烯受力时抵抗破坏能力大小的强度约为130 G(109)Pa。 1.2.3 优良的热导体和电子迁移率 石墨烯的热导率达5 000 W/(m · K)，是良好的导 热体。石墨烯独特的载流子特性，使其电子迁移率达到2×105 cm2/(V·s)，超过硅100倍，且几乎不随温度变化而变化。 1.3 应用前景 独特的结构特点加上 “极端突出”性能，使它的用途引起人们超高的期望：制造高效太阳能电池；超轻型航天航空飞行器材料；超坚韧的防弹衣；甚至有近乎科幻色彩的展望——可能制超长 “太空电梯”缆线。预测石墨烯正在或将要给社会带来革命性巨变；对石墨烯用途，描绘了一幅幅商机无限的图画，在全球研究热度持续升温!对石墨烯在导电、防腐、阻燃、导热和高强度等功能涂料中的应用也勾画了多彩的前景。 1.3.1 提高涂料防腐性 石墨烯提高涂料防腐性：有物理防腐和电化学防腐多重作用。 石墨烯片层的共轭结构，在涂层中层层叠加形成致密的隔绝层，阻隔水分对涂膜的浸润与渗透——起物理防腐作用，石墨烯表面疏水特性加强了防水渗透性。电化学防腐作用：钢铁底材阳极反应使Fe失去电子逐步腐蚀，石墨烯的导电性能可以阻止Fe→Fe3+反应，防止铁锈生成。 有研究表明，将0.5%～2%不同含量石墨烯作 为防腐填料分别加入到环氧树脂涂料中，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，存在一个最佳值，石墨烯含量为1.0%的涂层防腐效果最好。在环氧富锌涂料中添加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。石墨烯优异的防腐性能，可以实行无Cr6+表面处理。如添加1%的石墨烯，涂膜耐盐雾超1000 h，而含铬处理的同类涂膜耐盐雾只有600 h。添加石墨烯还可提高涂膜耐磨性和抗高温性及加热后的耐腐蚀性。 在铜和镍等有色金属的表面涂上含石墨烯的涂层试验证明，铜的腐蚀速度减慢7倍，镍的腐蚀速度慢4倍。石墨烯是已知最薄的防腐蚀涂层。28.3455g(1盎司)石墨烯可铺展覆盖28个足球场大小的面积。就是这样极薄的1层涂层，至少可以和传统5层有机涂膜一样起到很好的防腐蚀作用。正因如此，石墨烯可望应用于电子设备、精密部件、植入式元件和其他需要很薄涂层的应用领域。 1.3.2 导电与抗静电涂料 (1)导电涂料。石墨烯优良的导电性能，优于银粉、铜粉等导电材料，并具备优异的机械性能及热性能，是极佳的导电涂料添加剂，会开创导电涂料新局面。 (2)抗静电涂料。抗静电涂料用途广泛，随着现代科技的发展，对其抗静电性能的要求越来越高。石墨烯所具有的高导电性、强的力学性能等特点，有利于制备高性能、高强度的抗静电涂料。 1.3.3 阻燃涂料是3种阻燃作用的叠加 (1)物理隔绝层。 石墨烯的二维片层结构能在涂料中层层叠加，可形成致密的物理隔绝层，提高阻燃性能。 (2)阻隔空气层。石墨烯可以与树脂进行交联复合，在涂料中进一步形成一层致密的保护膜，起到阻隔空气的作用， 起阻燃作用。 (3)生成CO2和水。 在高温下，石墨烯涂层会生成CO2和水，并生成更致密连续的炭化层，起到进一步阻燃作用。 1.3.4 高导热散热性、高化学抗性涂料 石墨烯的导热系数高达5300 W/(m· K)，高于碳纳米管和金刚石。石墨烯改性散热涂料使其具有高的热导率，同时石墨烯的高比表面积使其充分填充在涂层中，增大了涂层散热表面积，能够降低物体表面和内部温度。石墨烯改性散热涂料能够长期在高温下工作，耐磨抗冲击性强，具有很好的耐候性、耐盐雾、耐酸 碱、耐光照老化等性能，在各种极端环境下均可使