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關鍵詞：石墨烯 結構特性 涂料 應用
0 引言
石墨烯是繼富勒烯和碳納米管之后出現的一種新型二維碳納米材料，是納米材料科學領域的一顆耀眼的新星, 并迅速成為材料科學的研究熱點。此前，石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，2人也因在石墨烯的研究方面取得了開創性成果，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。此后，石墨烯引起了世界各國的研發和追捧熱潮，不斷有新的成果被報道。Fang等發現石墨烯和PMMA之間的產生周期性褶皺，是由于二者間有較大的熱膨脹系數差別所致，而且這些周期性褶皺會影響到石墨烯的電學性質。楊建峰等采用溶液混合和超聲分散法使石墨烯較好地分散在聚乙烯基體中，該復合材料的滲流閾值是3.6%。當石墨烯質量分數超過6%時，電阻率趨于穩定。眾多國內外研究學者圍繞石墨烯的制備及在各科技領域的應用共同探索和創新，逐步發現了石墨烯具有高比表面積、快速導電性、優異的化學穩定性、高導熱性和高硬度等特性使其在涂料中得到廣泛應用，并獲得了較好的應用成果。本文就對石墨烯的定義、結構特性以及在涂料領域中的主要應用進行了闡述，并對石墨烯在涂料中的應用進行了展望。
1 石墨烯的定義與結構特性
1.1 石墨烯的定義
石墨烯是一種新型的由碳原子構成的單層片狀結構的二維材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一層被剝離的“石墨片”，被認為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的體相石墨的母體。理論上石墨烯是構成其他維度碳材料的基本材料，石墨烯不僅可以覆蓋成零維的富勒烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還可以堆積成三維的石墨。
1.2 石墨烯的結構特性
石墨烯是世界上迄今發現最薄的納米材料，石墨烯薄膜只有1個碳原子厚度，10萬層石墨烯疊加起來的厚度約為1根頭發絲的直徑，而且由于吸光率很低，只有2.3%，它的外觀幾乎是完全透明的。同時，石墨烯又是已知在世上強度最高的材料之一，其強度高達130 GPa，比最好的鋼鐵還要高100倍，要拉斷相同截面的單層石墨烯所需的力是鋼材的200倍。另外，石墨烯還是良好的導熱體，導熱系數高5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。而且，石墨烯獨特的載流子特性，使其電子遷移率達到2×105cm2/(V·s)，超過硅100倍，且幾乎不隨溫度變化而變化。綜上可知，石墨烯納米材料具有“至薄、至堅”、優良的導熱性和電子遷移率等特性。
2 石墨烯在涂料中的應用
因石墨烯具有高比表面積、快速導電性、優異的化學穩定性、高導熱性等特性使其在涂料中的應用引起了人們的廣泛關注，并由此展開了大量的研究工作。
2.1 石墨烯在防腐涂料中的應用
2.1.1 環氧富鋅防腐涂料
均勻分散的石墨烯能在涂層中形成物理隔絕層，起到屏蔽作用。將其加入到環氧富鋅漆中，可在涂料中形成網狀導電結構，提高鋅粉的利用率，加強鋅粉對鋼板的陰極保護作用，具有更佳的保護效果。有研究表明，在環氧富鋅防腐涂料中添加1.0%的石墨烯，可使耐鹽霧性從624 h提高到2500 h，防腐性能提高明顯。田振宇等研究了石墨烯在重防腐涂料中的應用。研究表明，石墨烯的加入使環氧富鋅防腐涂料中鋅的利用率明顯提高，發揮了良好的陰極保護協同作用，大大降低了鋅粉的用量，減少了施工時的粉塵污染。當石墨烯含量l％時，鋅烯復合涂層的物理機械性能和耐鹽霧性能隨石墨烯含量的升高而增大。
2.1.2 水性防腐涂料
水性防腐涂料是一種環保、綠色涂料，由于VOC 較低，成為防腐涂料的重要發展方向，在防腐涂料領域方面的應用呈上升趨勢。水性防腐涂料是以水為分散劑，表面張力大，漆膜成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，可以有效改善這一缺點。但由于水自身的特點，表面張力大，導致了水性防腐涂料的成膜性能、漆膜防腐性能總體上都不及溶劑型防腐涂料。巨浩波等采用溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復合材料，結果表明，當石墨烯用量為0.7%時，其在高分子基體中的分散狀態最好，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復合材料的拉伸強度提高了15.5%，斷裂伸長率下降了3.6%，耐水性提高了14%，失重5%時的熱分解溫度提高了43℃，防腐蝕性能也得到了極大提升。王耀文等研究發現，將0.5%～2%不同含量石墨烯作為防腐填料分別加入到水性環氧樹脂涂料中，有效地提高了涂層的防腐性能，隨著石墨烯含量的增加，涂料的防腐性能先提高后降低，當石墨烯含量為1.0%的涂層防腐效果最好。
2.2 石墨烯在導電涂料中的應用
石墨烯本身的共軛體系使其電子傳輸能力很強，具有優異的導電性能，這使得它在導電涂料領域具有非常大的應用潛力。賴奇等利用不同的插層剎對石墨烯進行改性，在減少了石墨烯之間團聚的同時提高了石墨烯在樹脂基體中的分散穩定性。將改性后的石墨烯加入到丙烯酸樹脂中，研究表明：石墨烯的加入低了涂層電阻率，導電性能得到提高。相比于傳統的導電介質，如銀粉 、銅粉 、氧化鋅等，石墨烯除了擁有良好的導電性能外，還具備優異的熱性能和透光性。北京大學的方岱寧等人將天然石墨在氧化劑中氧化后，經兩步化學還原法得到有機分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑和交聯劑、催化劑，經液態共混，制備得到具有高導電性能和力學性能的水性導電石墨烯涂料。Ma等采用苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備出高穩定性有機溶劑分散的石墨烯材料，并采用電泳沉積法獲得了高導電性的石墨烯涂膜，其電導率達150 s/cm。陜西科技大學的羅曉民等用二元胺對氧化石墨烯進行氨基化改性，后用化學還原恢復石墨烯的共軛導電體系，利用石墨烯表面的-NH與-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導電涂料。
2.3 石墨烯在建筑隔熱涂料中的應用
石墨烯的導熱系數高，將其用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內部溫度，增強節能效果。薛剛等采用回流法將石墨烯包裹在紅外發射粉末表面，制備了一種含石墨烯、電氣石和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，與普通散熱涂料相比，含石墨烯的復合涂料紅外發射率達到96%，節能6.37%，體現出良好的節能效果。
2.4 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附作用，且有較長的防污期效。Hu等發現氧化石墨烯是一種優良的抗菌材料。利用石墨烯的這一特性，于歡將石墨烯/TiO2 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、表面性能等的影響。結果表明，顯著提高改性水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層具有良好的防污性能。岳鑫將改性石墨烯加入到環氧樹脂中，對其防腐防污性能進行研究。結果表明，改性石墨烯因分散更均勻，加入改性石墨烯可以更有效地提高涂層的防腐防污性。劉文超以氧化石墨烯作為納米銀的載體，制備了氧化石墨烯/納米銀復合材料。結果表明，復合材料具有良好的抑菌性和明顯的殺菌效果，可用于制備海洋防污涂料。
2.5 石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應用
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、抗滲性以及物理力學性能。呂生華等采用溶液共混法將石墨烯加入到以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，石墨烯豐富的含氧基團可調節水泥水化產物的生長，使涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率、抗滲性等物理性能得到明顯提升。
2.6 石墨烯在阻燃涂料中的應用
石墨烯的二維片層結構，使其在涂料中層層疊加，可形成致密的物理隔絕層，起到突出的物理隔絕作用，提高阻燃性能。李洪飛等在丙烯酸膨脹阻燃涂料中加入氧化石墨烯，對其阻燃性能進行了研究。結果表明，將適量的氧化石墨烯加入到阻燃體系中，會在涂料受熱膨脹時誘導聚合物分子鏈取向和生成“骨架”物質而顯著增強碳層，發揮阻燃作用。當加量為2.5%時效果最佳，耐燃時間增加 42％。
3 結語
石墨烯是一種新型功能材料，具有比表面積高、導電性快、化學穩定性優異、力學性能突出、導熱性高等性能，使其在涂料中有廣泛應用。石墨烯在防腐、導電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃等功能涂料體系中均可以大幅提高涂料的綜合性能，展現了誘人的潛在前景。目前，雖說石墨烯在涂料中的發展勢頭較好，然而卻不能說“已入佳境”，還有很多關鍵技術問題需要解決。如石墨烯與涂料樹脂復合方法、助劑選擇、功能性改進；石墨烯的實驗室研究成果如何轉變達到實用并產業化；石墨烯在涂料體系中的作用機理等。相信隨著研究的深入和科技的發展，這些問題都會迎刃而解，石墨烯也必將推動涂料產業的新一輪轉型升級。
