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石墨烯在功能性涂料应用中的研究进展
时间: 2020-06-16 01:37     作者: 威尼斯人app

  石墨烯是单层二维蜂窝状碳网络结构,平面内由周期性紧密排列的碳六元环构成,各碳原子之间通过sp2杂化轨道相连接。它可以卷曲成零维(0D)的富勒烯和一维(1D)的碳纳米管(CNT),或通过范德华力堆垛成三维(3D)的石墨,因此石墨烯被认为是构成其他碳材料的基本单元。

  目前石墨烯可以分为单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯。顾名思义,单层石墨烯是由一层石墨烯构成;双层石墨烯是由两层石墨烯构成;少层石墨烯是由三到十层石墨烯构成;超过十层则被认为是石墨纳米微片。不同层数的石墨烯具有不同的物理化学性质。

  单层石墨烯完美的碳晶体结构使其具有优异的性能:超强的力学性能,其杨氏模量高达1100GPa,断裂强度高达130GPa;高达200000cm2/(Vs)的电子迁移率;室温下约5000W/(mK)的热导率;97.7%的可见光透过率;优异的物理阻隔性;高达2630m2/g的理论比表面积等。

  因此石墨烯被认为是最具诱人前景的新材料之一,在纳米电子器件、储能材料、透明导电膜、传感器、树脂基复合材料等领域引起广泛关注。

  在涂料应用方面,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;利用其高导电、高导热性能,可开发导电涂料、散热涂料、电磁屏蔽涂料等。本文简单总结了石墨烯在功能性涂料方面的一些应用进展,并对其应用趋势进行了分析展望。

  石墨烯自2004年发现以来,引起了世界各国研发和应用的热潮,被认为是21世纪新材料纪元的引领者和带动者,是未来高技术产业竞争的战略制高点。石墨烯独特的特点使其在导电涂料、防火涂料、防污涂料和重防腐涂料中得到了广泛的应用。

  传统的导电涂料分为本征型导电涂料和添加型导电涂料,本征型导电涂料是靠树脂自身导电性达到导电的目的,以聚苯胺和聚吡咯为主;添加型导电涂料是通过在涂料中添加导电物质来实现的,导电物质通常为金属粉末和碳系粉末。由于本征型导电涂料加工困难,金属粉末添加型导电涂料存在易沉降、不耐氧化等问题。因此,碳系粉末添加型导电涂料是目前的主流导电涂料,主要以炭黑和石墨为主。

  相对于传统的导电物质,石墨烯具有更加优良的导电性能和良好的机械性能,而且石墨烯比表面积大,导电渗流阈值低,只需很少的添加量即可达到导电的目的,是目前制备导电涂料的不二选择。

  胥会等采用氧化还原法制备石墨烯,并将其制备成涂料。探讨了分散程度以及加量对体系导电性能的影响。

  Pham等将氧化石墨烯和水合肼制备成混合分散液,喷到预热的基底上,氧化石墨烯还原的过程中形成致密的石墨烯导电层,该方法制备的石墨烯导电层其表面电阻达到2.2×103,具有良好的导电性能。

  章勇用对石墨烯表面进行氨基化改性,提高石墨烯与树脂有很好的相容性,然后加入到环氧树脂中,制备导静电涂料,石墨烯添加量仅为质量分数0.5%时,涂层的表面电阻可降到109。除用作常规导电涂料外,石墨烯还可以应用到透明导电膜的制备,Zheng等、Nekahi等、Wang等课题组分别采用氧化石墨烯制备薄膜,然后通过化学环氧得到石墨烯透明导电膜,制得导电膜电阻低、透明度高,且石墨烯导电薄膜具有良好的抗弯曲疲劳强度,有望取代应用于电子领域的锡铟氧化物导电薄膜制备柔性导电薄膜。

  (1)石墨烯的二维片层结构能在涂料中层层叠加,形成致密的物理隔绝层,提高阻燃性能。

  (2)石墨烯可以与涂料中树脂进行交联复合,进一步形成一层致密的保护膜,起到阻隔空气的作用,从而发挥阻燃的效果。

  (3)在高温下石墨烯涂层燃烧产生二氧化碳和水,并生成更加致密、连续的碳层,阻隔作用更强。

  李洪飞等以丙烯酸乳液为成膜物质,钛白粉为颜料,石墨烯作为协效阻燃/抑烟剂制备成防火涂料。研究结果表明:氧化石墨烯能有效提高涂料试样的耐燃时间和降低峰值生烟速率,当氧化石墨烯的添加量为0.025份时(以100份乳液记),试样耐燃时间可以增加59.5%,当添加0.125份时,试样的峰值生烟速率从0.024m2/s降至0.013m2/s。

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