石墨烯是一種新型的功能納米材料，具有導(dǎo)電性能卓越、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、力學(xué)性能突出、導(dǎo)熱性高等特點(diǎn)，因而在涂料中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯在防腐、導(dǎo)電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃等功能性涂料體系中均可大幅提高涂料的綜合性能，展現(xiàn)出誘人的潛在應(yīng)用前景。

一、石墨烯的定義與結(jié)構(gòu)特性

石墨烯是一種新型的由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)二維材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可以看作是一層被剝離的“石墨片”，被認(rèn)為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的體相石墨的母體。理論上石墨烯是構(gòu)成其他維度碳材料的基本材料，石墨烯不僅可以覆蓋成零維的富勒烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還可以堆積成三維的石墨。

石墨烯的結(jié)構(gòu)特性

石墨烯薄膜的厚度約為1個(gè)碳原子厚度，10萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度只有1根頭發(fā)絲的直徑，是至今為止在納米材料領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的最薄的納米材料，而且由于其吸光率很低，僅有2.3%，因此它的外觀基本是完全透明的。同時(shí)，石墨烯又是已知強(qiáng)度最高的納米材料之一，其強(qiáng)度可高達(dá)130GPa，超過(guò)最好的鋼鐵100倍。有研究報(bào)道，要拉斷相同截面的單層石墨烯所需的力是鋼材的200倍。此外，石墨烯還是良好的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W（/m·K），高于金剛石和碳納米管。而且，石墨烯具有獨(dú)特的載流子特征，使其電子遷移率高達(dá)2.0×105cm2（/V·s），比硅的電子遷移率還要高100倍，且不隨溫度變化而變化。總而言之，石墨烯納米材料具有厚度超薄、硬度超高、導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良和電子遷移率高的結(jié)構(gòu)特性。

二、石墨烯在涂料中的應(yīng)用

因石墨烯具有高的比表面積、良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等特性，使其在涂料中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，并由此展開(kāi)了大量的研究工作。

1、石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用

環(huán)氧富鋅防腐涂料

均勻分散的石墨烯可在涂層中形成物理隔絕層，起屏蔽作用。將其加入到環(huán)氧富鋅防腐涂料中，能在涂料中形成網(wǎng)狀的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高鋅粉的利用率，增強(qiáng)鋅粉對(duì)鋼板的陰極保護(hù)作用，達(dá)到更好的保護(hù)效果。有研究表明，在環(huán)氧富鋅防腐涂料中添加1.0%的石墨烯，可使涂料的耐鹽霧性從624h提高到2500h，防腐性能明顯提高。

田振宇等也研究了石墨烯在環(huán)氧富鋅防腐涂料中的應(yīng)用，研究表明，在環(huán)氧富鋅防腐涂料中加入石墨烯，可使鋅的利用率明顯提高，石墨烯與鋅粉發(fā)揮了良好的協(xié)同作用，大大降低鋅粉的用量，減少施工時(shí)的粉塵污染，而且，當(dāng)石墨烯添加量為l％時(shí)，鋅烯復(fù)合涂層的耐鹽霧性能隨石墨烯含量的增加而增強(qiáng)。

水性防腐涂料

水性防腐涂料是一種綠色環(huán)保的涂料，由于涂料中有機(jī)揮發(fā)物含量較低，成為了防腐涂料中重要的發(fā)展方向，近年來(lái)在防腐涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。水性防腐涂料采用水為分散相，表面張力大，涂膜的成膜性一直不夠理想。在水性防腐涂料中加入石墨烯，能夠有效改善這一缺陷，但由于水自身表面張力大的特點(diǎn)，導(dǎo)致了水性防腐涂料的涂膜防腐性能總體上不及溶劑型防腐涂料。巨浩波等通過(guò)溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復(fù)合材料，研究表明，當(dāng)石墨烯用量為0.7%時(shí)，其在高分子基體中的分散狀態(tài)最佳，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了15.5%，斷裂伸長(zhǎng)率降低了3.6%，耐水性能提高了14%，涂膜的防腐蝕性能也得到了極大提升。

王耀文等研究發(fā)現(xiàn)，將0.5%~2.0%含量的石墨烯作為防腐填料添加到水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料中，對(duì)涂層的防腐性能具有顯著的作用，隨著石墨烯含量的增加，涂層的防腐性能先增強(qiáng)后降低，石墨烯含量為1.0%的涂層防腐效果最佳。

2、石墨烯在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用

石墨烯的共軛體系結(jié)構(gòu)使其電子傳輸能力強(qiáng)，具有卓越的導(dǎo)電性能，在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。賴(lài)奇等采用不同的插層劑對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，在減少了石墨烯之間團(tuán)聚的同時(shí)提高了石墨烯在樹(shù)脂中的分散穩(wěn)定性。將改性后的石墨烯添加到丙烯酸樹(shù)脂中，降低了涂層的電阻率，提高了涂層的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電介質(zhì)相比，如銀、銅、氧化鋅等，石墨烯不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有優(yōu)異的熱性能和透光性。

方岱寧等將天然石墨在氧化劑中氧化后，采用兩步化學(xué)還原法制得有機(jī)分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑、交聯(lián)劑和催化劑，經(jīng)液態(tài)共混，得到了具有優(yōu)良導(dǎo)電性和力學(xué)性的水性導(dǎo)電石墨烯涂料。Ma等用苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備出高穩(wěn)定性有機(jī)溶劑分散的石墨烯材料，然后再通過(guò)電泳沉積法制得了高導(dǎo)電性的石墨烯涂膜，其電導(dǎo)率高達(dá)150S/cm。

羅曉民等先用二元胺對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行氨基化改性，再采用化學(xué)還原法恢復(fù)石墨烯的共軛導(dǎo)電體系，通過(guò)石墨烯表面的—NH與—NCO封端的水性聚氨酯原位聚合，獲得了含石墨烯的水性聚氨酯導(dǎo)電涂料。

3石墨烯在建筑隔熱涂料中的應(yīng)用

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高，應(yīng)用于建筑隔熱涂料可有效降低建筑物的內(nèi)部溫度，節(jié)能效果明顯。薛剛等通過(guò)回流法將石墨烯包裹在紅外發(fā)射粉末表面，成功制備出一種含石墨烯、電氣石及過(guò)渡金屬氧化物的復(fù)合散熱涂料，研究表明，石墨烯可降低紅外顆粒的熱阻，相比于普通散熱涂料，含石墨烯的復(fù)合涂料紅外發(fā)射率可達(dá)到96%，節(jié)約能耗約6.37%，具有良好的節(jié)能效果。

4石墨烯在海洋防污涂料中的應(yīng)用

海洋防污涂料是一種特種涂料，對(duì)植物和動(dòng)物性海洋附著生物有防附作用，且有較長(zhǎng)的防污期效。Hu等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯是一種優(yōu)良的抗菌材料。利用石墨烯的這一特性，于歡[將石墨烯/二氧化鈦復(fù)合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對(duì)涂料的抗菌滅菌性和表面性能等的影響，結(jié)果表明，石墨烯的加入顯著提高了水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層防污性能得到極大的提升。

岳鑫將改性石墨烯加入到環(huán)氧樹(shù)脂中，研究其對(duì)涂層防腐防污性能的影響，研究表明，加入改性石墨烯后，因其分散更均勻，可以顯著提高涂層的防腐防污性。劉文超采用氧化石墨烯作為納米銀的載體，成功制備了氧化石墨烯/納米銀復(fù)合材料，研究表明，該復(fù)合材料除了具有良好的抑菌性外，還具備明顯的殺菌效果，可將其用于制備海洋防污涂料。

5石墨烯在聚合物水泥防水涂料中的應(yīng)用

石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗?jié)B性和物理力學(xué)性能。呂生華等通過(guò)溶液共混法將石墨烯加入到丙烯酸酯類(lèi)聚合物與水泥復(fù)合而成的聚合物水泥防水涂料中，研究表明，因石墨烯中含有豐富的含氧基團(tuán)能夠調(diào)節(jié)水泥中水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)，因此使涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和抗?jié)B性等物理性能得到顯著提升。

6石墨烯在阻燃涂料中的應(yīng)用

石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，使其能夠在涂料中層層疊加，從而形成致密的物理隔絕層，起到顯著的物理隔絕作用，提高涂料的阻燃性能。李洪飛等在丙烯酸膨脹阻燃涂料中加入氧化石墨烯，對(duì)其阻燃性能的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，將適量的氧化石墨烯加入到該阻燃體系中，會(huì)使涂料在受熱膨脹時(shí)誘導(dǎo)聚合物分子鏈取向以及生成“骨架”物質(zhì)而顯著增強(qiáng)碳層，發(fā)揮阻燃作用，當(dāng)添加量為2.5%時(shí)效果最好，耐燃時(shí)間增加約42%。

三、小結(jié)

石墨烯是一種新型的功能納米材料，具有導(dǎo)電性能卓越、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、力學(xué)性能突出、導(dǎo)熱性高等特點(diǎn)，因而在涂料中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯在防腐、導(dǎo)電、建筑隔熱、海洋防污和阻燃等功能性涂料體系中均可大幅提高涂料的綜合性能，展現(xiàn)出誘人的潛在應(yīng)用前景。目前來(lái)看，雖說(shuō)石墨烯在涂料領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭較好，然而卻不能說(shuō)“已入佳境”，還存在很多關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題需要解決，如石墨烯與涂料中樹(shù)脂的復(fù)合方法，助劑的選擇，功能性的改進(jìn)，如何將石墨烯的實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)變成實(shí)際應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以及石墨烯在涂料體系中的作用機(jī)理等。相信隨著研究的持續(xù)深入和科技的快速發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì)迎刃而解，石墨烯也必將推動(dòng)涂料產(chǎn)業(yè)的新一輪轉(zhuǎn)型升級(jí)。