石墨烯在涂料中的应用_王清海

一文了解石墨烯在功能涂料中的应用特性及发展趋势！石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，厚度在一个纳米以下，具有非常良好的抗拉强度及透光、导电和导热性能，被誉为新世纪的“材料之王”。

石墨烯具有高比表面积、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，石墨烯作为功能性添加剂，能赋予涂料导电、防腐、阻燃、导热和高强度等特殊功能，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。

1、石墨烯在功能涂料中的应用特性（1）石墨烯在导电涂料中的应用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。

目前，市场用量最多的导电填料是导电炭黑，一般添加量为质量分数10%以内就能达到导静电水平，成本远低于石墨烯。

而石墨烯的优势则是添加量少，添加量为质量分数1%以内即可达到导静电水平。

由于添加量少，石墨烯导电涂料的涂层的力学性能一般优于炭黑导电涂料涂层的力学性能，因此石墨烯导电涂料能够实现涂层导电性和力学性能的同步提高。

此外，由于石墨烯的物理阻隔性能可以提高漆膜的致密性，进而提高漆膜的耐溶剂和耐腐蚀性，能够既导静电又耐腐蚀，可以用作石油、化工等领域的导静电涂料。

（2）石墨烯在防火涂料中的应用石墨烯在防火涂料中的阻燃机理被认为是以下几种阻燃作用的叠加：一是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。

二是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。

三是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。

研究表明：具有片层结构的氧化石墨烯在涂料受热膨胀过程中会使自身和基体分子链取向，进而在聚合物碳化过程中形成骨架结构，增加碳层强度，达到阻燃和抑烟的目的。

石墨烯在涂料领域中的应用探析自从石墨烯诞生之日起，就受到世界范围内的高度关注。

石墨烯作为碳单质的第三种形式，以其优异的物理性能、化学性能、电性能和热力学性能，在涂料行业一经使用，就有着十分突出的优异表现。

文章围绕石墨烯在涂料领域的相关应用进行探讨，主要介绍了石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料方面的应用情况。

标签：石墨烯；涂料；导电；防腐引言使用工具是人类区别于其他动物的根本特征。

人类的历史本质上是人类使用工具改造自然、认知世界的过程。

优质的材料是工具发展的主要动力之一。

许多次人类科学乃至社会上的重大进步，都是与新材料的发现、发明密切相关。

石墨烯是21世纪重要的新型材料，其由多层片状结构组成，每层结构都是由碳原子经过sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格平面薄膜。

石墨烯的理论已经提出了一段时间，但一直到2004年英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，才在实验室中人工分离出石墨烯单体，从而证实了石墨烯的存在。

两位学者也因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是纳米材料中厚度最小、强度最大的种类。

由于吸光率很低，只有 2.3%，所以外观几乎是完全透明的。

石墨烯物理性能优异，导热性能比碳纳米管和金刚石还高，为5300W/m·K，室温环境下其电子迁移率大于15000cm2/vs，超过纳米碳管或硅晶体。

石墨烯是当前世界上已知材料中导电性最好的材料，电阻率仅为10-8Ω·cm，低于铜或银。

综上所述，石墨烯兼具比表面积大、导电性好、化学稳定性强、力学性能和导热性能优异等优点，一经问世，就受到世界各国的广泛关注。

现阶段我国已经初步形成石墨烯工业化生产。

石墨烯应用范围十分广阔，涂料是目前石墨烯众多应用领域中的一个重要组成部分。

凭借各种优越性能，石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料等方面都有着非常深远的应用前景。

下面就对石墨烯在涂料领域中的主要应用进行一下简要介绍与分析。

石墨烯及其在防腐涂料中的应用研究作者：马誉菀赵健杨安卫来源：《中国化工贸易·中旬刊》2019年第08期摘要：石墨烯具有优异的结构性能和广泛的应用前景。

它可用于电子工业、超级计算机、超级电容器和复合材料、涂料等领域。

今后，石墨烯将引发半导体、光伏、能源、航天、国防、军工等行业的革命性技术变革，成为国民经济增长的重要组成部分。

关键词：石墨烯;防腐涂料;应用0 前言石墨烯因其化学稳定性高、抗氧化性能强以及独特的化学惰性而受到重视。

此外，石墨烯对氧气和水等腐蚀介质还具有极高的抗渗透性，加入到防腐涂层中可以起到较好的物理屏障作用，在防腐涂料中用作防腐添加剂的研究已有一定进展。

传统防污涂料通常采用添加汞、铜、锡等重金属氧化物（毒性物质）的方式，来抑制海洋微生物附着在船体表面，以达到防污的效果。

1 石墨烯概述石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有单原子层的石墨结构，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯有多种优异性能，例如：①目前它是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，同时还具有很好的柔韧性;②它的吸收率只有2.3%，因此它几乎是完全透明的;③它的导热系数高达5300W/（m·K），比碳纳米管和金刚石的都高;④常温下它的电子迁移率超过15000cm2/（V·s），具有比铜或银更低的电阻率;⑤它具有极大的比表面积（理论比表面积可达2600m2/g以上）。

石墨烯在高机械强度、高比表面积、高导电性等方面和其他材料相比具备极大优势，可用于生产性能优异的复合材料，用于化学电源、超级电容器的电极材料等方面。

石墨烯具有片状结构，可与其他物质形成“面—面”接触，使复合材料具备导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能，具有极大的硬度、稳定的化学性质等优异性能。

总的来说，石墨烯是当今材料界中最薄、最坚硬、最导热、最导电的材料。

国际上给出的定义是，只有1～2层碳原子的纳米薄片才能称之为“石墨烯”，并且只有没有任何缺陷的石墨烯才具备完美特性。

石墨烯在防腐涂料中的应用腐蚀是金属材料失效的主要形式，也是一个全球都普遍存在的问题。

据估计，全球每年因腐蚀报废的金属设备占其产量的30%，除去回收的部分外，还有10%的钢铁一去不复返。

寻找有效的技术手段来实现金属表面防护成为各国研究者共同关注的目标。

众多学者致力于研究和开发腐蚀控制技术和措施，降低腐蚀损失的主要方法有开发和正确选用耐蚀材料、电化学保护和涂层保护。

而金属表面覆膜处理技术是最为经济、简单、使用最为广泛的防腐手段。

这些技术往往是用某些材料（如特种金属、陶瓷、金属氧化物、非金属聚合物等）包裹在金属表面，以避免其表面与空气、水或其它腐蚀环境直接接触，从而达到防止腐蚀的目的。

这些包裹材料因为各种局限而难以满足日益复杂的工作环境。

普通的表面涂层往往存在粗糙度大、涂层过厚等因素而不适合精密场所的使用；同时聚合物材质往往不耐高温，并且可能影响涂覆基材的性质。

薄型化是防腐技术发展的一个重要方向，而石墨烯作为最薄的膜材料，为相关应用带来了新的可能。

1. 石墨烯防腐机理图1 石墨烯防腐涂料中“迷宫效应”示意图石墨烯具有特殊的片层状结构，可以像鳞片状云母粉、铝粉、玻璃薄片等作为填料应用于防腐涂料中，石墨烯的片层状结构，对水、氧气和离子的扩散有很好的物理屏蔽作用，可以增加腐蚀介质在涂层中的渗透路程，从而达到对金属材料的防腐蚀功能，这一过程被通俗的称为石墨烯的“迷宫效应”。

目前，石墨烯在金属防腐蚀、防污、导电以及其他功能涂料领域中的应用已取得初步成果，石墨烯重防腐涂料产品成为石墨烯迈向应用的热点之一。

2. 石墨烯防腐涂层展望图2石墨烯防腐涂层外观图石墨烯在金属材料的防腐领域也具有非常大的应用潜力。

首先，石墨烯稳定的sp2杂化结构使其能在金属与活性介质间形成物理阻隔层，阻止扩散渗透的进行。

科学家在研究石墨烯制备微小密封“气球”时发现石墨烯能有效阻碍气体分子通过，即便是H原子也很难通过；基于纯石墨烯膜的防护涂层值得期待。

浅析石墨烯在防腐涂料中的应用现状一、引言1.1金属腐蚀的危害性金属腐蚀是指金属在物理、化学或生物作用下的逐渐销蚀和损失其物理力学性能的现象。

金属腐蚀对环境和人类造成了严重的危害：（1）环境污染：金属腐蚀产生的废弃物和腐蚀产物会对环境造成污染；（2）危害健康：金属腐蚀过程中产生的有毒物质可能对人类健康造成危害；（3）安全隐患：金属腐蚀过程中可能导致金属结构的破坏，造成安全隐患；（4）经济损失：金属腐蚀可导致金属设备的损坏和提前报废，造成经济损失等等。

因为腐蚀的严峻情况，国内外对防治腐蚀的工作都非常重视，采取了各种措施来减缓腐蚀的影响。

为了确保油气管道的长期安全运行，各国政府和企业都制定了防腐规定，作为设计、建造、管理必须遵守的标准。

1.2石墨烯简述石墨烯是最薄的二维碳材料，也是所有石墨形式的母体。

最初的单层碳原子石墨烯是从石墨中剥离出来的。

石墨烯的发现为碳材料的研究开辟了新的领域。

因此，英国科学家安德烈·海姆和俄罗斯科学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯作为一种在室温条件下稳定存在的新型二维结构晶体材料，因其优良的导电性能、力学性能、热学性能、光学性能以及超大的比表面积、化学稳定性等，在纳米器件、复合材料、传感器、电池、防腐涂料、润滑油等领域受到诸多学者的关注和研究。

石墨烯的制备手段也是丰富多彩，大致上可分为“自上而下”和“自下而上”的制备方法。

对于“自上而下”的制备方法而言，包括机械剥离法、电化学剥离法、超声辅助溶液剥离法和氧化石墨烯还原法；“自上而下”的制备方法而言，包括化学气相沉积法（CVD）、外延生长法和小分子化学合成法。

石墨烯可成功地、大量地制备给碳材料的宏观组装材料带来了新的契机，可通过设计、构筑、组装成多级结构和多维度材料，如石墨烯膜、石墨烯气凝胶、石墨烯纤维等。

经过十年的发展，石墨烯逐渐成为热门的科学话题，其巨大的产业发展前景吸引了全世界的目光。

石墨烯在防腐涂料中的研究进展及应用摘要：防腐涂料是指由底漆、中漆和面漆组成的具有防腐蚀功能的涂料，依据涂料应用领域的不同，可以分为常规防腐涂料和重防腐涂料。

一般常见的防腐涂料有环氧树脂涂料、醇酸树脂涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸树脂涂料、富锌涂料等。

鉴于此，本文主要分析石墨烯在防腐涂料中的研究进展及应用。

关键词：石墨烯；防腐涂料；应用1、石墨烯简介1.1、石墨烯的结构石墨烯是碳原子sp2杂化形成的蜂窝状平面薄膜，是一种仅有单层原子厚度的二维材料，也被称为单原子层石墨。

石墨烯是世界上已知的最坚硬且最薄的纳米材料，虽然只有1个碳原子厚度，但在外应力作用下抵抗变形能力大小的模量可达1012Pa。

1.2、石墨烯的制备方法（1）机械剥离法是最早被发现并用于生产石墨烯的方法，该方法对于实验设备要求极低，操作简便，效果明显，并且获得的石墨烯样品的质量很好。

因此，实验室生产以及石墨烯用量偏小的公司，大多使用该方法来制备石墨烯。

主要是将机械力作用在石墨表面，使其受力剥离，由原来的多层变为一层或数层。

（2）氧化还原法是当前制备石墨烯最为流行的方法之一，也是实验室批量生产石墨烯所采用的方法。

该方法以石墨或膨胀石墨为原材料，首先将石墨或膨胀石墨加入到浓硫酸中，加入强氧化剂得到蓬松的氧化石墨烯，再加入强还原剂，得到石墨烯。

该法制备周期短，成本较低，设备简单，而且可以得到氧化石墨烯；但制备过程中应用强酸、强氧化物等物质，较为危险，而且得到的石墨烯有较多缺陷，如电学和力学性能不够优异。

（3）外延生长法碳化硅外延生长法：将碳化硅置于高温高压环境中，使硅原子蒸发，将碳原子留在载体上。

该方法可以制备单层大面积石墨烯，其质量十分优异。

但由于制备条件严苛、成本昂贵、转移困难，导致应用受限。

金属催化外延生长法：在超高真空的条件下，将碳氢化合物加到具有催化活性的过渡金属基底表面，并通过加热使吸附在金属表面的气体催化脱氢得到石墨烯薄膜。

对于碳原子来说要有较低的溶解度，这样才能通过化学腐蚀的方法使石墨烯与基底实现分离，不然不利于石墨烯的后续加工。

第5期石晓凡，等:石墨烯在防腐防污涂料中的应用研究-107-石墨烯在防腐防污涂料中的应用研究石晓凡，贾新磊(滨州学院化工与安全学院，山东滨州256600)摘要:石墨烯凭借其阻隔性能好、屏蔽性能好以及化学稳定性好等特点，在防腐防污涂料领域得到了广泛应用。

本文综合叙述了近年来石墨烯在防腐、防污涂料中的相关内容，归纳了石墨烯的结构特性，总结了石墨烯在防腐、防污涂料中的应用，整理了石墨烯在涂料方面存在的问题'关键词:石墨烯;结构特性;防腐;防污中图分类号:TQ637文献标识码：A文章编号：1008-021X(2021)05-0107-02Application of Graphene in Anticorrosion and Antifouling CoatingsShi Xiaofan,Jin Xinlei(School of Chemical Enginee/ng and SCety of Binzhou University,Binzhou256600,China)Abstract:Graphene has been widely used in the fieN of anti-corrosion and antifou/ng coatings because of its excellent bc/cr performance,outstanding shielding performance and good chemical stabOty.In thO paper,the related contenO of graphene in anti-cormsion and antifou/ng coa—ngs in recent years are comprehensively described,the structural chamcte时Ucs of graphene aoesummaoczed,theappeccatcon oogoaphenecn antc-co o scon and antcoouecngcoatcngscssummaoczed,and theexcstcngpoobeems oogoaphenecn coatcngsaoesooted out.Key words:graphene；structural properties；corrosion protection；antifou/ng在英国的两位科学家通过众多实验成功分离出了石墨烯后，石墨烯进入了人们的眼界，并且得到了广泛的关注。

技术应用与研究2018·04103Chenmical Intermediate当代化工研究和填充物的玻璃内衬。

可以充分吸收样品中的高沸点组合和非挥发性组分，避免色谱柱的堵塞。

在全烃色谱分析当中，在普通直通式内衬中加入玻璃毛隔挡的特殊吸附物质，能够阻止未经处理的样品中含有的强极性非烃以及大分子沥青物质进入色谱柱。

在天然气样品分析当中，一般都使用金属直通式内衬，对于氯仿抽提物这类特殊的物质，必须使用玻璃内衬。

其次，就是阀的应用。

在气相色谱仪的应用过程当中，阀的主要作用是为气体和液体样品重复提供固定体积的进样。

近年来，碎屑智能化技术的不断发展，阀已经可以实现简单的自动化。

最后，就是多种辅助进样系统的应用现状。

比如用于注射在密闭、加热的小瓶中同样品保持平衡的顶空气体的顶空自动进样器。

它能够分析固体样品，地表油气化探中的土壤样品，高沸点烃类样品等。

而热解析器则可以通过释放样品当中的有机物，较为真实的反应样品中分子量烃所包含的地质信息。

热解吸器同阀的结合能够在实现瞬间进样的基础之上，实现样品进样的最大化和灵敏度。

其具体的工作示意图如下：同时还有热解分析器、吹扫补集器都得到了很好的发展，同时还有部分气相色谱仪进样系统正在完善的过程当中。

3.气相色谱仪进样系统的改进与应用的前景展望针对气相色谱仪进样系统的改进与应用，应该注重以下几方面的科研力度。

首先，应该加强专业气相色谱仪进样系统的应用与研发技术人才的培养，以人才优势带动气相色谱仪进样系统的发展。

其次，针对地面露头岩样、土壤吸附气以及含油气岩心等样品的分析，应该在进样系统当中开发挥发气体分析装置。

不断完善热解气相色谱仪进样系统，开发新的仪器设备。

加大油气田开发井当中的原油伴生气以及天然气的手提气相色谱快速检测仪器进行系统的研发力度，实现气相色谱仪进样系统检测样品的超临界抽提。

最后，应该加强气相色谱仪进样系统仪器的检查和维护，加强仪器操作环境的管理和规范。

Vol.35No.8第35卷第8期涂料技术与文摘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)08-0020-040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。

石墨烯在涂料中的应用石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优良的化学稳定性、高导热性和高硬度等特性使其在涂料中得到广泛应用，并获得了较好的应用成果。

一、石墨烯结构特性石墨烯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，可以看作是一层被剥离的“石墨片”，被认为是零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的体相石墨的母体。

理论上石墨烯是构成其他维度碳材料的基本材料，石墨烯不仅可以覆盖成零维的富勒烯，也可以卷曲成一维的碳纳米管，还可以堆积成三维的石墨。

石墨烯是世界上迄今发现最薄的纳米材料（晶瑞单层0.5-1.5nm），石墨烯薄膜只有1个碳原子厚度，10 万层石墨烯叠加起来的厚度约为1根头发丝的直径，而且由于吸光率很低，只有 2.3%，它的外观几乎是完全透明的。

同时，石墨烯又是已知在世上强度最高的材料之一，其强度高达130 GPa，比最好的钢铁还要高100倍，要拉断相同截面的单层石墨烯所需的力是钢材的200倍。

另外，石墨烯还是良好的导热体，导热系数高5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。

而且，石墨烯独特的载流子特性，使其电子迁移率达2×105cm2/(V·s)，超过硅100 倍，且几乎不随温度变化而变化。

综上可知，石墨烯纳米材料具有“至薄、至坚”、优良的导热性和电子迁移率等特性。

1、石墨烯在防腐涂料中的应用1.1 环氧富锌防腐涂料均匀分散的石墨烯（晶瑞单层0.5-1.5nm）能在涂层中形成物理隔绝层，起到屏蔽作用。

将其加入到环氧富锌漆中，可在涂料中形成网状导电结构，提高锌粉的利用率，加强锌粉对钢板的阴极保护作用，具有更佳的保护效果。

有研究表明，在环氧富锌防腐涂料中添加1.0%的石墨烯，可使耐盐雾性从624h 提高到2500h，防腐性能提高明显。

田振宇等研究了石墨烯在重防腐涂料中的应用。

研究表明，石墨烯的加入使环氧富锌防腐涂料中锌的利用率明显提高，发挥了良好的阴极保护协同作用，大大降低了锌粉的用量，减少了施工时的粉尘污染。