石墨烯在涂料领域中的应用_沈海斌

石墨烯在涂料领域中的应用

Application of Graphene in Paint

沈海斌，刘琼馨，瞿研(常州第六元素材料科技股份有限公司，江苏常州213000)

摘要：石墨烯是一种新型的单层片状结构的碳纳米材料，具有高比表面积、良好的导电、导热性、优异的化学稳定性、突出的力学性能等，使其在导电涂料、重防腐涂料中具有广泛的应用前景，不仅能提高导电性或耐盐雾性能，同时还能进一步降低涂层厚度，增加对基材的附着力，提升涂料的耐磨性。

关键词：石墨烯；涂料；导电；防腐中图分类号：TQ630.4

文献标识码：A

文章编号：1672-2418(2014)08-0020-04

0引言

石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）是一种新型的由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，是一种由碳原子以ｓｐ２杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，２人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得２０１０年诺贝尔物理学奖

［１－３］

。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收２．３％的光；导热系数高达５３００Ｗ／ｍ・Ｋ，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过１５０００ｃｍ２／ｖｓ，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约１０－８Ω・ｃｍ，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料［４－９］。因此，石墨烯同时具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能。

石墨烯因其优良的性能，其在涂料中的应用主要在于导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料等。目前，石墨烯在国内已形成工业化生产能力，如常州第六元素材料科技股份有限公司石墨烯粉体产能已达到１００ｔ／ａ。

1石墨烯导电涂料

1.1汽车静电喷涂浅色底漆

目前，汽车塑料件喷涂还是采用常规的空气喷涂，空气喷涂涂料浪费严重，并且ＶＯＣ排放高，使用新型的喷涂技术，以及采用环保的新型涂料是近阶段的研究热点。静电喷涂具有传递效率高、装饰性好、生产效率高、显著降低ＶＯＣ排放等优点［１０－１１］。因此，在汽车塑料件上采用静电喷涂有良好的应用前景。

因汽车车身、保险杠、内外饰件均是ＡＢＳ、ＰＰ等塑料件，要采用静电喷涂，最简单的方法是事先喷涂一层导电底漆，使塑料底材与喷之间形成有效的电压场，然后就可以进行静电喷涂。目前，汽车静电喷涂底漆主要采用导电炭黑为导电剂，其颜色较深，喷涂这种底漆后，一般要再喷涂一层遮盖底漆，才能进行汽车金属色漆的喷涂，由于增加了工序，使得汽车静电喷涂工艺难以大范围推广。

石墨烯导电性好，颜色浅，理论上单层的石墨烯是透明的，这样就解决了汽车静电喷涂工艺的难点。底漆添加石墨烯２％～４％，涂层Ｌ＊值可以达到４０～５０，完全可以满足汽车静电喷涂的色度要求。使用石墨烯与导电炭黑进行对比试验，涂料中添加丙烯酸树脂５０％，钛白粉２０％，石墨烯或导电炭黑３％，制成的静电喷涂底漆涂层性能见表１，涂膜表观见图１。

从表１可以看出，石墨烯涂层较导电炭黑涂层的导电性高１～２个数量级，明度Ｌ＊值高１４，颜色明显更浅。由于汽车底漆对颜色要求比较高，石墨烯涂层正好能满足这一要求，从而大大提升了汽车静电喷涂工艺的应用性。

表1

石墨烯与导电炭黑静电喷涂底漆涂层性能

石墨烯67

56(b)导电炭黑涂层

石墨烯与导电炭黑静电喷涂底漆

导静电涂料指的是表面电阻为１０６

～１０

张宗波，等：聚硅氮烷基耐高温涂层材料

Ｍ．Ｒ．Ｍｕｃａｌｏ等采用聚硅氮烷来涂覆氧化铝片，经高温裂解后在氧化铝表面形成Ｓｉ３Ｎ４／Ｓｉ２Ｎ２Ｏ涂层，通过扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察发现氧化铝致密度明显提高，且涂覆次数越多，致密度越高（图１２）。

我们也正在对热喷涂的耐高温合金涂层进行封孔处理，初步结果较为理想，进一步工作正在开展。

4其他

由于聚硅氮烷良好的耐温性，当添加适当填料时，即可达到高温隔热的效果。如在聚硅氮烷中添加中空玻璃微珠，用喷涂的方式涂覆于复合材料表面，经２００℃固化后，即可对复合材料起到良好的高温保护作用。另外，我们对室温固化的聚硅氮烷隔热涂料的相关性能测试还在进行之中。

5结语

聚硅氮烷由于自身化学结构的特点，既具备低温转化的能力，又具有高温陶瓷的性能，且施工容易，可拓展潜力强，是一种良好的耐高温涂层材料。随着国内外研究的深入，以及商品化聚硅氮烷的不断发展，

必然会给涂层领域带来新的活力，弥补现有材料的不足，丰富特种耐高温材料的种类。（a）无涂层（b）1层涂层（c）2层涂层（d）3层涂层（e）4层涂层（f）5层涂层图12高温裂解后的氧化铝片SEM微观形貌

参考文献

[1]张宗波，肖凤艳，罗永明，等.全氢聚硅氮烷的应用及产

业化[J].精细与专用化学品2013,(07):30-33.

[2]张宗波，曾凡，罗永明，徐彩虹.聚硅氮烷的应用研究进

展[J].有机硅材料，2013，27(3)，216-222.

fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

（上接第22页）

[7]NOVOSELOV K S,GEIM A K,MOROZOV S V,et al.

Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in gra-

phene[J].Nature,2005,438:197-200.

[8]NOVOSELOV K S,MCCAM E,MBROZOV S V,et a1.

Unconventional quantum Hall effect and Berry`s phase of

2πin bilayer graphene[J].Nat.Phys.,2006,2:177-180 [9]KAT SNEISON M I,NOVOSELOV K S,GEIM A K.Chi-

ral Tunnelling and the klein Paradox in graphene[J].Nat.

Phys.,2006,2(9):620-625.

[10]易宏彬.新世纪汽车粉末涂料及静电喷涂技术[J].机械

工程师,2003,(01):59-60.

[11]余泳昌,王保华.静电喷雾技术综述[J].农业与技术,

2004,(04):192-195.

[12]李运德,李春,于一川.储油罐内壁导静电涂料防腐失效原

因分析及对策[J].全面腐蚀控制,2004,(03):40-42. [13]吴贤官,李成章,王塘.贮油罐导静电涂料涂装设计方案

探讨[J].全面腐蚀控制,2002,(03):25-29.

[14]沈建荣,蔡启上,宋广成.石油产品贮罐内壁防静电防腐蚀

涂料漆层结构与应用原理[J].石油化工腐蚀与防护, 2000,(02):37-39.

[15]林安,周苗银.功能性防腐蚀涂料及应用[M].北京:化学

工业出版社,2004,1-20.

[16]徐赣川,杜磊.防腐涂料在石油天然气管道中的应用[J].

上海涂料,2008,46(06):23-26.

[17]郭清泉,陈焕钦.重防腐涂料的发展展望[J].化工进展,

2003,22(9):947-950.

[18]石亚军,陈中华,余飞.水性环氧防腐涂料的制备与性能研

究[J].电镀与涂装,2009,28(4):45-49.

[19]刘守贵,李嘉,曾本忠,等.水性环氧树脂及其涂料应用[J].

化工新型材料,2008(11):21-23.

[20]程延海,陈祖坤,张新美.达克罗技术的研究进展及展望

[J].石油化工腐蚀与防护,2006,23(3):6-9.

[21]张旭明,刘春明,王建军,等.无铬达克罗成膜物质的研究

进展[J].材料与冶金学报,2012,11(01):62-67.

[22]王舟.环氧树脂氧化石墨烯纳米复合材料的制备与表征

[D].北京：北京化工大学,2010.