石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，厚度在一個(gè)納米以下，具有非常良好的抗拉強度及透光、導電和導熱性能，被譽(yù)為新世紀的“材料之王”。
石墨烯具有高比表面積、快速導電性、優(yōu)異的化學(xué)穩定性、突出的力學(xué)性能、高導熱性等性能，石墨烯作為功能性添加劑，能賦予涂料導電、防腐、阻燃、導熱和高強度等特殊功能，如利用石墨烯的物理阻隔性能，可提高涂料的防腐、防污、阻燃效果；利用其高導電、高導熱性能，可開(kāi)發(fā)導電涂料、散熱涂料、電磁屏蔽涂料等。
1、石墨烯在功能涂料中的應用特性
（1）石墨烯在導電涂料中的應用
相對于傳統的導電物質(zhì)，石墨烯具有更加優(yōu)良的導電性能和良好的機械性能，而且石墨烯比表面積大，導電滲流閾值低，只需很少的添加量即可達到導電的目的，是目前制備導電涂料的不二選擇。
目前，市場(chǎng)用量最多的導電填料是導電炭黑，一般添加量為質(zhì)量分數10%以?xún)染湍苓_到導靜電水平，成本遠低于石墨烯。而石墨烯的優(yōu)勢則是添加量少，添加量為質(zhì)量分數1%以?xún)燃纯蛇_到導靜電水平。由于添加量少，石墨烯導電涂料的涂層的力學(xué)性能一般優(yōu)于炭黑導電涂料涂層的力學(xué)性能，因此石墨烯導電涂料能夠實(shí)現涂層導電性和力學(xué)性能的同步提高。
此外，由于石墨烯的物理阻隔性能可以提高漆膜的致密性，進(jìn)而提高漆膜的耐溶劑和耐腐蝕性，能夠既導靜電又耐腐蝕，可以用作石油、化工等領(lǐng)域的導靜電涂料。
（2）石墨烯在防火涂料中的應用
石墨烯在防火涂料中的阻燃機理被認為是以下幾種阻燃作用的疊加：
一是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。
二是石墨烯可以與涂料中樹(shù)脂進(jìn)行交聯(lián)復合，進(jìn)一步形成一層致密的保護膜，起到阻隔空氣的作用，從而發(fā)揮阻燃的效果。
三是在高溫下石墨烯涂層燃燒產(chǎn)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。
研究表明：具有片層結構的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過(guò)程中會(huì )使自身和基體分子鏈取向，進(jìn)而在聚合物碳化過(guò)程中形成骨架結構，增加碳層強度，達到阻燃和抑煙的目的。此外，由于石墨烯出色的屏蔽效應，即使發(fā)生火災，石墨烯涂料形成的隔絕層也可以阻隔一氧化碳等有毒降解產(chǎn)物的揮發(fā)，從而降低火災的危險。
（3）石墨烯在防污涂料中的應用
防污涂料是涂裝于船底和海洋水下設施的一種特殊涂料，主要是通過(guò)在涂料中添加重金屬等毒料，在涂膜表面形成有毒表面層，將附著(zhù)于涂膜的海洋生物殺死，達到防止海洋生物附著(zhù)在船底或海洋水下設施的目的。
石墨烯具有極高的表面能和很強的疏水作用，微生物很難在石墨烯表面上生長(cháng)或粘附，所以石墨烯具有很好的防污效果。
（4）石墨烯在重防腐涂料中的應用
石墨烯由于屏蔽性好，比表面積大，很容易在涂層中形成致密薄膜，對于提高防腐性能有很大幫助。研究證明，CVD生長(cháng)的石墨烯可以在銅、鋁等金屬表面形成保護層，防止金屬的氧化和腐蝕。
氧化還原制備的石墨烯可以與有機樹(shù)脂混合制備復合材料涂層，發(fā)揮石墨烯的屏蔽作用和樹(shù)脂優(yōu)異的附著(zhù)能力，達到長(cháng)效防腐的目的，用其制備的石墨烯涂層相比于普通涂層，可以使低合金鋼的腐蝕速率降低1個(gè)數量級。
除常規防腐蝕之外，石墨烯還可以與金屬中的氫發(fā)生化學(xué)反應，防止氫脆的發(fā)生。此外，由于石墨烯可以提高金屬耐微生物腐蝕能力，也可以用作生物環(huán)境防腐保護層。
除現在發(fā)展迅速的石墨烯-鋅粉防腐涂料外，單純利用石墨烯物理阻隔防腐的涂料有良好的效果。Applied Graphene Materials 公司制備的石墨烯環(huán)氧涂料，經(jīng)測試，加入石墨烯之后，涂層水蒸氣透過(guò)率降低95%，耐鹽霧試驗時(shí)間提升5倍。說(shuō)明在輕防腐領(lǐng)域，石墨烯的物理阻隔性能能夠大幅提升涂層的防腐效果。
（5）石墨烯在散熱涂料中的應用
石墨烯本身熱導率高達5300W/（m·K），高于碳納米管和金剛石。因此用石墨烯制備散熱涂料具有高的熱導率，而且石墨烯高比表面積，能夠增大涂層散熱面積，可有效降低物體表面和內部溫度。
石墨烯改性散熱涂料能夠長(cháng)期在高溫下工作，耐磨抗沖擊性強，具有很好的耐候性，耐鹽霧老化，酸堿老化，光照老化等，在各種極端環(huán)境下均可使用?？梢杂糜谛枰岬奈锛?，如LED散熱，工業(yè)設備散熱，汽車(chē)零部件散熱等各行業(yè)。
目前，加拿大Grafoid公司已經(jīng)與Captherm公司簽訂合作協(xié)議開(kāi)發(fā)用于LED的石墨烯散熱涂料，國內也有多家公司在開(kāi)發(fā)石墨烯散熱涂料和石墨烯碳納米管復合散熱涂料，并取得一定的進(jìn)展。
（6）石墨烯在高強度高耐候涂料中的應用
石墨烯本身優(yōu)異的力學(xué)性能可以制備高強度高耐候涂料。在涂層中加入石墨烯，在干燥過(guò)程中形成致密網(wǎng)絡(luò )結構，能夠顯著(zhù)提升涂層的硬度和耐磨性能，尤其是有利于解決水性聚氨酯涂料硬度低的問(wèn)題。同時(shí)石墨烯還能捕捉涂層中的自由基，延長(cháng)涂層壽命。
（7）石墨烯在抗菌涂料中的應用
納米TiO2作為光催化納米材料的一種，有抗菌滅菌作用，但它對于可見(jiàn)光吸收率較低，納米粒子趨向于聚集，大大降低了其滅菌作用。在含納米TiO2抗菌涂料中，引入5%以下的石墨烯，明顯提高涂料對可見(jiàn)光吸收率，并加強納米TiO2的光催化活性和抗菌、滅菌能力，使改性后的水性聚氨酯在抗菌滅菌綜合性能方面有很大提高，并且具有良好的表面性能、耐水性和力學(xué)性能。
2、石墨烯在功能涂料中的發(fā)展趨勢
目前石墨烯在功能性涂料方面的應用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是除了防腐涂料外，其他多數研究還停留在實(shí)驗室階段。主要原因有以下幾個(gè)方面：
?。?）涂料行業(yè)是一個(gè)對成本十分敏感的行業(yè)，相比于現在常用的涂料填料，石墨烯的價(jià)格相對偏高，因此限制了其應用。
?。?）石墨烯表面能高，在水和涂料的常用溶劑如二甲苯、醋酸丁酯中難以分散，與此同時(shí)，石墨烯涂料的性能?chē)乐匾蕾?lài)于石墨烯在涂料中的分散程度，因此常規的簡(jiǎn)單分散手段不適用于石墨烯涂料。
?。?）目前石墨烯相關(guān)標準缺乏，導致市場(chǎng)上石墨烯產(chǎn)品性能參差不齊，對應用開(kāi)發(fā)有很大的誤導。
?。?）目前缺乏石墨烯涂料應用標準，按照現在的標準在應用石墨烯涂料時(shí)不能發(fā)揮出石墨烯涂料的優(yōu)勢。
?。?）在實(shí)際應用過(guò)程中，通常需要涂多層涂料，因此需要考慮涂層的配套性問(wèn)題，石墨烯涂料由于發(fā)展時(shí)間短，缺乏相應的驗證數據，在一定程度上限制了其應用。
基于以上原因，石墨烯涂料的發(fā)展目標將定位于高性能功能性涂料，利用石墨烯的優(yōu)異性能實(shí)現涂料性能的大幅提升。目前在石墨烯功能性涂料發(fā)展中出現的問(wèn)題會(huì )逐漸解決，石墨烯必將推動(dòng)涂料的新一輪產(chǎn)業(yè)轉型升級。
來(lái)源：石墨烯在功能性涂料應用中的研究進(jìn)展，作者：楊修寶等；石墨烯在涂料領(lǐng)域的應用概況，作者：高浩誠；石墨烯在涂料領(lǐng)域中的應用探析，作者：李念偉
編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)
2018年第四期礦物精細加工與應用技術(shù)高級研修班
2018年12月2日-4日 廣州
培訓大綱：
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4、非金屬礦粉體如何打開(kāi)涂料行業(yè)市場(chǎng)
5、專(zhuān)題技術(shù)沙龍
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