石墨烯涂料产业发展现状及未来趋势.pdf

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-32-专家论坛乙醛醋酸化工2015年第8期石墨烯涂料产业发展现状及未来趋势康永艾江（陕西金泰氯碱化工有限公司,陕西榆林718100）摘要：石墨烯涂料除具有传统涂料的特性外，更具备无机物特性，涂膜与基质相同，具有安全环保，防水透气、耐碱、耐污防火、耐候性佳，不褪色，抗菌防霉，不会造成二次污染等特性。同时，石墨烯涂料防腐涂料领域已知的最薄的一种，一根头发丝的直径约是10万层石墨烯叠加起来的厚度，将它涂在金属表面，可以保护金属不受腐蚀。目前，石墨烯做金属保护膜已经成功应用，并显著延缓了金属的腐蚀速度，因此石墨烯涂料预计未来将有广阔的市场空间。文中介绍了石墨烯涂料技术及产业现状，并指出了未来发展趋势。关键词：石墨烯；涂料；产业现状；发展趋势TheDevelopmentPresentSituationandFutureTrendsofGraphenecoatingsindustryKANGYongAIJiang(ShanxiJintaiChlor-alkaliChemicalCo.,Ltd,.,Yulin,Shanxi718100,China)Abstract:Graphenecoatingsinadditiontoaconventionalcoatingproperties,butalsowithinorganiccharac-teristics,thesamecoatingandthesubstrate,withsafetyandenvironmentalprotection,waterproof,breathable,al-kali,stainfire,weatherresistance,non-fading,anti-bacterialmold,willnotcausesecondarypollutionandothercharacteristics.Meanwhile,anti-corrosioncoatinggraphenecoatingthinnestkindknownintheart,thediameterofahumanhairisaboutstackingupgraphenelayerthicknessof100000,itwillbeappliedtothemetalsurface,whichprotectsthemetalfromcorrosion.Currently,thegraphenemakemetalprotectivefilmhasbeensuccessfullyapplied,andsignificantlyslowedtherateofcorrosionofmetals,andthereforegraphenecoatingisexpectedtohaveabroadmarketspaceinthefuture.Thispaperintroducesthegraphenecoatingtechnologyandindustrysta-tus,andpointsoutthefuturetrends.Keywords:graphene；coatings；industrystatus；developmenttrend石墨烯是材料海洋中的神童。近日科学家发布十倍，而带四层转移石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比了石墨烯的一个最新研究成果：石墨烯可用于金属裸镍要慢四倍。防腐，且是世上最薄的防腐蚀涂料。2010年诺贝尔循环伏安法测量方法表明石墨烯涂料能有效地研究项目发现，单层碳原子结构有应用于涂料的可抑制金属氧化反应和氧化还原反应，通过电化学阻能性：作为非侵入式涂料的非可见组成部分，作为一抗谱测量方法可以发现石墨烯本身并未受损，而下种聚集能量的“智能皮肤”，以及制成防污漆。但范德面的金属裂缝中则出现腐蚀现象。堡大学研究人员关于石墨烯的最新发现则是人们在经过化学气相沉积法处理后的带石墨烯涂层的防腐蚀方面最有效的方法。科学家们在美国化学协铜在浸入硫酸钠溶液后，其腐蚀速度比裸铜要慢七会主办的杂志《ACS纳米》上发布了该发现报告。倍。带多层石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比裸镍慢二科学家将“石墨烯原子超薄”层作为一种可防止十倍，而带四层转移石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比底层金属腐蚀的防护涂料来进行研究，他们在铜和裸镍要慢四倍。镍中加入石墨烯或机械地将多层石墨烯转移到铜和石墨烯涂层相当薄，一盎司石墨烯可被伸展覆镍表面，并采用电化学方法来观察其缓蚀情况。研究盖28个足球场，就是这么一层涂层可以跟传统至少表明：两种方法都有很好的效果。五层有机涂料一样起到很好的防腐蚀作用。正因如带多层石墨烯涂层的镍的腐蚀速度比裸镍慢二此，将来石墨烯可以应用于电子设备、精密部件、植 2015年第8期乙醛醋酸化工专家论坛-33-入式元件和其他需要很薄涂层的应用领域。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1石墨烯涂料特点面和内部温度。石墨烯改性散热涂料能够长期在高石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化温下工作，耐磨抗冲击性强，具有很好的耐候性，耐学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能，使其盐雾老化，酸碱老化，光照老化等，在各种极端环境[1]在涂料中有广泛应用。石墨烯用于涂料中可制备下均可使用。可以用于需要散热的物件，如LED散纯石墨烯涂料和石墨烯复合涂料，前者主要是指纯热，工业设备散热，汽车零部件散热等各行业。石墨烯在金属表面发挥防腐蚀、导电等作用的功能石墨烯的高比表面积，使其表面吸附力强，表面涂料；后者主要是指石墨烯首先与聚合物树脂复合．能大，能在涂料干燥时形成网状结构，从而增强涂层然后以复合材料制备功能涂料．石墨烯可显著提升与基底的吸附作用，使涂层更加致密，提高涂料对基聚合物的性能，因此石墨烯复合涂料成为石墨烯的材的附着力，同时，有助于提高涂料的耐冲击性能，重要应用研究领域。石墨烯在导电涂料、防腐涂料、耐摩擦性能，导热性，耐候性及防腐性能。阻燃涂料等涂料体系中均可以大幅提高涂料的综合性能，如降低涂层厚度，增加对基材的附着力，提升2石墨烯涂料技术现状涂料耐磨性，并使涂料具有绿色环保性。尤其在导电在涂料应用领域，可以引入石墨烯材料的防腐、涂料、环氧富锌涂料、水性防腐涂料中具有突出的性导电等特性。采用石墨烯制备涂料，可用1%含量的能展现，石墨烯必将推动涂料的新一轮产业转型升石墨烯替代50%的锌粉，可达到富锌环氧涂料相同级。的防腐效果的同时提高防腐蚀时间，另外，每吨涂料石墨烯作为一种新型的防腐材料，在常用的环还可以便宜1000多元。“耐高温耐磨石墨烯涂料”是氧防腐涂料的基础上通过添加石墨烯制备的新型涂航天军工等领域的关键材料之一，石墨烯涂料可在料不仅具有环氧富锌涂料的阴极保护效应、玻璃鳞摩擦条件下耐高温3000℃。片涂料的屏蔽效应，更具有韧性好、附着力强、耐水人工制备的石墨烯因容易再团聚，而无法充分性好、硬度高等特点，其防腐性能超过现有的重防腐发挥石墨烯单片层的优异特性。中科院宁波材料所涂料，可广泛应用于海洋工程、交通运输、大型工业先进涂料与粘合技术团队日前成功合成出一种石墨设备及市政工程设施等领域的涂装保护。烯的特种分散剂，使制约石墨烯推广应用的关键瓶石墨烯的共轭结构使之具有很高的电子迁移率颈———分散技术取得突破，并将这些易于再分散的和优异的电学性能，这是人们最希望可以利用的性石墨烯粉体应用于涂料领域，大幅改善了涂料的性[2]能。传统的导电涂料通过加入导电性物质作为添能。加剂来达到涂膜导电的目的，导电性添加剂通常为据介绍，该团队自2013年11月起将纳米材料金属或金属氧化物颗粒(如银粉、铜粉、氧化锌等)，的分散技术作为重要的研究方向之一，他们针对石以应用较为广泛的银粉为例，其用量、粒径和形态都墨烯的高效分散技术进行了深入的研究和大量的实对涂料的导电性能有很大影响。相比银粉，石墨烯除验，近期取得了一些突破性进展。在余海斌研究员的了有很好的导电性能外，还具备优异的机械性能及带领下，该团队合成出一种石墨烯的特种分散剂。将热性能，是极佳的导电涂料添加剂。该分散剂加入到含有石墨烯的溶液中，通过搅拌处石墨烯的二维片层结构，使其在涂料中层层叠理就可以得到单分散的水性、油性石墨烯分散液，并加，可形成致密的物理隔绝层，起到突出的物理隔绝创造性地制备出易于再分散的石墨烯粉体。作用，提高阻燃性能；石墨烯还可以与树脂进行交联目前，该团队已将这些易于再分散的石墨烯粉体应复合，在涂料中就可以进一步形成一层致密的保护用于涂料领域，涂料性能显示出巨大改进。该分散技膜，起到阻隔空气的作用，从而发挥阻燃的效果；并术有助于石墨烯在防腐涂料、防静电涂料、导电油且在高温下，石墨烯涂层会生成CO2和水，并生成墨、透明导电膜、超级电容器、电池材料、散热材料等更致密连续的炭层，起到进一步的阻隔作用，从而提领域的应用取得突破性进展。高了涂料的阻燃性能。目前，济南墨希与西班牙研发中心共同研发出石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，高于碳全球首例石墨烯矿物涂料—Graphenstone格芬石墨纳米管和金刚石。石墨烯改性散热涂料使其具有高烯矿物涂料，它是在千年传统制作工艺的基础上，将 -34-专家论坛乙醛醋酸化工2015年第8期西班牙独有天然矿物材料与最新纳米材料石墨烯结石墨烯吸波降温涂料填料是石墨烯，尖晶石金合，生产出的最新一代高端纳米涂料。与传统涂料相属氧化物等具有较高的热传导率和红外发射性的材比，除具有传统涂料的特性外，更具备无机物特性，料，这些填料能使涂料成膜后呈现宏观光洁而且微涂膜与基质相同，具有安全环保，防水透气、耐碱、耐观波浪状的辐射结构单元，这样的构造可以大大增污防火、耐候性佳，不褪色，抗菌防霉，不会造成二次加散热面积和传导率，显著提升热量交换的效果。同污染等特性。时被电子跃迁过的尖晶石金属氧化物能增加了电子格芬石墨烯矿物涂料中添加的石墨烯纳米纤维能级，提高了物体红外辐射辐射系数，又保持了相应会在涂料中形成纳米网状架构，赋予其天然成分所的热稳定性、耐热性、高强度、耐腐蚀性、耐磨性等优不具备的坚实性和牢固的骨架，涂料的附着力更加异性能。牢固，更具有超耐久性，使得涂料耐擦洗，抗裂纹；同另外为了整体提高了辐射散热降温涂料涂层的时对损坏砂浆的大气侵蚀因素形成一道不可逾越的整体强度、抗老化性和热稳定性，涂料还参入纳米级屏障，在极端条件下，依然可以发挥其优良的性能，稀土元素氧化物，能提高涂料组成材料整体活性，优不会产生龟裂；由于石墨烯为优良热导体，散射99%化涂料的各种参数性能。红外线和85%的紫外线，可以达成节能降耗、保温隔热的功能；因其独特的配方和纳米技术，还能减少声3结语传播，起到降低噪音的效果，是古建筑修复、医院、酒石墨烯所具有的独特性能使其在各个领域都展店、学校、高档建筑、别墅等场所的最佳选择。现了巨大的潜力与应用前景．目前已成为国内外科石墨烯纳米涂料材料时通过辐射散发物体热量研的热点。然而，有关石墨烯及其复合材料在涂料领或是加快热量传导形式进行的，耐温幅度-50>域中的应用报道还较少，该研究尚处于起步阶段，还600℃，涂料直接涂刷在要散热降温或是加快热量传有一些关键技术问题需要解决，如：怎样大规模、低导的物体表面，涂层以>0.92ε左右的发射率和红外成本制备出高质量的石墨烯，并实现其结构的可调波长波段向大气空间或是物体内在空间自动辐射热控性；石墨烯应用领域的拓宽及石墨烯功能化改性量，加快热量交换，降低物体表面及内部温度，或是方法的创新；研究石墨烯与聚合物的相容性及其在加快提高外部热量向物体内部传导，提高热量交换涂料体系中的作用机理，为其在涂料领域的应用提率。供理论基础；如何实现石墨烯一聚合物纳米复合材涂料是超强散热纳米材料石墨烯按比例混合加料的工业化模合成及其在涂料领域的产业化应用。入涂料内提高热交换，散热不受周围介质影响，涂料随着研究的深入开展，石墨烯将有望推动涂料工业不仅有良好的吸波散热降温效果，也有很好的吸波的发展与革新，并以新型功能化涂料等形式走进人性、导电性、防腐性、抗酸碱、施工方便的特点。们的日常生活。石墨烯防辐射散热降温涂料是苏州恒球科技公司自主研发的高性能散热成膜溶液，该涂料溶液工参考文献作原理是靠经高温处理过的改性胶体微粒（小于[1]沈海斌,刘琼馨,瞿研.石墨烯在涂料领域中的应用[J].涂100纳米）发生凝聚而产生结合成膜。溶液成膜后程料技术与文摘,2014,35(8):20-22,32.鱼鳞片状结构，有利于热的辐射及有利于较高的可[2]PHAMVH,CUONGTV,HURSH,eta1.Fastand见光和近红外光反射率、较高的热红外发射率和稳sirepiefabricationofalargetransparentchemicallyconverted定性等特殊性能，同时还具有良好的物理性能、化学graphenefilmbyspray-coating[J].Carbon,2010,48(7):1945-性能和良好的施工性多种复合性。1951．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（上接第20页）实现产业链配套。拓宽潜在市场，以化学工业，2014,32（4）：36-40,47.促进我国丙烯腈及其相关行业健康稳步发展。[2]李湘平，宋超，周敏.丙烯腈生产现状与发展前景[J].合成纤维工业,2014，37(1):52-54,65.主要参考文献[3]张林伟.我国丙烯腈行业现状及发展前景[J].石油化工技术[1]黄金霞，陆书来，纪立春.2013年丙烯腈生产与市场分析[J].与经济,2014，30（1）：53-57.