石墨烯在功能涂料中的应用概述

蔡文曦、盛鑫鑫、张心亚

华南理工大学化学与化工学院

摘要:

 石墨烯具有优异的热性能、力学性能以及电学性能，已有研究人员将石墨烯应用于涂料中，并探讨了其在涂料中表现出的独特作用。

对石墨烯的结构性能、制备及改性方法等进行了概述，介绍了石墨烯在导电涂料、防腐涂料、建筑涂料及其他功能性涂料中的应用方式及效果，并展望了石墨烯的发展前景。

石墨烯具有独特的性能和潜在的应用前景，目前已成为全世界的关注焦点与研究热点。

此前，曾有科学家认为二维晶体在有限温度下是不可能存在的，而如今通过简单的机械剥离高定向热解石墨，便可制备得到二维单层石墨烯。

英国曼彻斯特大学的教授Andre Geim 和Konstantin Novoselov 因在石墨烯领域的研究方面取得了开创性成果而荣获2010 年的诺贝尔物理奖。

此后，石墨烯引起了科学家极大的兴趣，并发现其在光、电、热等方面均有独特而优异的性能。石墨烯在纳米复合材料、储能材料、电子元器件及催化剂载体等领域已得到应用，且显现出良好的应用前景。

石墨烯电子迁移率高、热稳定性好、导电性优异、硬度高等优点使其在涂料中获得应用，并取得了较好的应用效果。

本研究根据国内外研究成果，对石墨烯的制备、改性及其在涂料中的应用进行了概述，以期拓宽石墨烯的工业应用。

石墨烯的结构与性质

石墨烯是一种由sp2 杂化碳原子组成的二维晶体材料，具有略微波浪状的层式结构，被认为是组成石墨、碳纳米管、富勒烯等同素异形体的基本组成单元。

石墨烯的强度高达130 GPa，是迄今发现的力学性能最好的材料之一，石墨烯的热导率达5 000 W/( m·K) ，是良好的导热体。

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

石墨烯与其氧化物在导电性能方面有很大差异，这是由于引入含氧基团后，破坏了原来的共轭结构，因此可以通过对石墨烯氧化－ 还原程度的调控，实现对其导电性能的控制，进一步推动半导体材料的发展。

石墨烯的制备方法

自石墨烯被发现以来，科研人员为能批量稳定地制备石墨烯付出了巨大努力并取得了阶段性成果。

石墨烯制备方法主要有: 

晶体外延生长法，该法是在极高的真空度下将单晶碳化硅衬底加热至1 200～ 1 600 ℃，使衬底中的硅原子升华析出，过量的碳原子留在基底并重构生成石墨烯，这是目前公认的最有可能实现工业化的方法之一; 

化学气相沉积法( CVD) ，该法将甲烷等含碳化合物在基底上进行高温分解而重构生成石墨烯，然后除去金属基底得到石墨烯; 

化学氧化－ 还原法，目前以该法制备氧化石墨主要有3 种途径，即Brodie 法、Staudenmaier法及Hummers 法。

前两者会产生ClO2气体，Hummers 法反应时间短，产品纯化步骤简单，因此目前的制备方法多基于Hummers 法。

Hummers 法制备过程概括为:

① 向强酸和强氧化剂混合液加入石墨，反应得到氧化石墨; ② 借助外力剥离得到氧化石墨烯( GO) ; ③ 通过化学还原、热还原等方法将氧化石墨烯还原得到还原的氧化石墨烯( rGO) 。

上述3种制备方法中，使用CVD 法制得的大面积石墨烯片层可以直接覆盖在金属表面用作防腐、保护涂层，而化学氧化－ 还原法则在涂料领域中更为常用。

这是由于在氧化的过程中，将活性含氧基团引入到石墨烯上，为以后的功能化改性提供了活性反应位点，丰富了功能化改性的手段，从而有效提高改性GO与溶剂、聚合物的相容性。

在涂料领域中的应用

石墨烯的共轭结构导致其与水、有机溶剂以及聚合物的相容性较差，因而增加了其在涂料领域中的应用难度。为解决该问题，可在制备石墨烯的过程中先将GO ....