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石墨烯/环氧树脂复合涂料研讨进展

环氧树脂(EP)因具备不一样的分子式，能够主要表现出不一样的性能。且因为易与不一样的环氧固化剂、油漆稀释剂、改性剂等混和应用，制取出具有出色的机械设备、结构力学、热力学、粘结力、绝缘层和防腐蚀性能的环氧树脂原材料，而被广泛运用于防腐蚀涂料。但伴随着应用场景复杂，单纯性的EP涂料主要表现出一些不够:一是因为导热系数低造成 耐温性差，大部分EP只适用100℃下列的自然环境;二是因干固后交联密度大，以至于摩擦阻力高，耐磨性能和抗冲击能力差;三是电阻高易造成静电作用;四是干固后容易造成缺点，危害防腐蚀性能。为能够更好地利用EP的优势，常添加填充料以改进性能。

石墨烯因其与众不同的分子结构和出色的物理学性能以及化合物可引起缩聚反应等特性，引进软性开链，在改进环氧树脂基原材料性能层面具备极大的发展潜力。因为石墨烯的比表面大、表面高，做为填充料加上到环氧树脂里时易团圆，进而危害涂料性能。为将石墨烯匀称分散化到环氧树脂常规中，学者们开展了很多科学研究。从最开始的简易混和，发展趋势到超声波分散化技术性，从而利用硅烷偶联剂改进石墨烯与环氧树脂中间的紧密连接性和相溶性。研究发现:石墨烯的添加有利于提升涂料性能，但当加上到一定量时，因为石墨烯的沉积会危害涂料性能的进一步提高。近些年，一部分学者根据对石墨烯表层开展官能团异构装饰，制取出了功能性石墨烯，发觉其在保存石墨烯基础特点的另外，可改进与环氧树脂常规的紧密连接性，促使石墨烯/环氧树脂复合型涂料的科学研究拥有新的进度。

  1、石墨烯/环氧树脂涂料的研究成果

从热力学性能看来，石墨烯是现阶段孰知具备最大导热系数的原材料(单面约为5000W/mK)，做为填充料添加可提升环氧树脂的耐温性;从机械设备性能和结构力学性能看来，石墨烯由sp2杂化的平面图氧原子组成，具备高韧性、高韧性，且石墨烯固层具备较低的剪切应力和低摩擦阻力，非常容易迁移到环氧树脂镀层对偶表层产生转移膜，与环氧树脂复合型应用后可提升镀层的耐磨性能与抗冲击性;从电力学性能看来，石墨烯单面基础理论电阻约为10-6Ω・m，且因为其堆密度低，在环氧树脂中加上小量石墨烯时就可以有着优良的导电率;从防腐蚀性能看来，因为石墨烯的小规格效用和二维层状构造，可改进环氧树脂镀层中的缺点，使其可在镀层中产生高密度的阻隔层，进而缓解浸蚀。

1.1热力学性能

黄坤等以石墨烯为填充料添加到环氧树脂、环氧树脂改性材料有机硅材料、乙烯基树脂3个管理体系中，根据烤制试验和电加热脆化试验检测了石墨烯对镀层耐热性和电加热抗老化性的危害。结果显示:与不用石墨烯对比，三者的耐热性都获得了提升，且在接电源500h后，环氧树脂出現相近后干固的全过程，促使干固后化学交联更高密度，石墨烯收拢也更紧凑型，耐温性更强。Yang等根据科学研究石墨烯片(G)/多壁纳米碳管(MWCNTs)/环氧树脂(EP)高分子材料，发觉G与MWCNTs中间存有协同作用，因为这类桥接功效，促使其与EP的触碰总面积增大，防止填充料团圆。测得高分子材料导热系数为0.321W/mK，较纯EP(0.13W/mK)提升了146.9%。

1.2耐磨损改性性能

伍方将石墨烯(G)和空气氧化石墨烯(GO)用以改进碳碳复合材料与环氧树脂中间的页面构造，试验测出G/EP复合型镀层在干磨擦和海面磨擦中的摩擦阻力较纯EP镀层减少了14.5%和33.7%，磨损量减少了69.1%和32.1%;GO/EP复合型镀层的摩擦阻力较纯EP镀层减少了15.6%和35.5%，磨损量减少了79%和67.9%。任小孟等制取了G、GO/EP高分子材料，调查二者对EP的改性提高实际效果。研究表明:当G与GO摩尔质量为2%时，高分子材料的冲击韧性各自提升102%和48.5%;当G与GO摩尔质量为1%时，高分子材料的抗压强度各自提升18%和2%。

1.3电力学性能

王国建等根据自做的石墨烯与商业服务级纳米碳管、富勒烯及其高纯石墨各自做为纳米技术导电性原材料添加EP中制取高分子材料，科学研究其电力学性能。研究表明:G是一种好于纳米碳管、富勒烯和高纯石墨的导电性填充料，当G的摩尔分数为0.25%时，高分子材料的导电率产生稳定渗流突然变化，表明这时G早已在EP中产生了导电性网络通道;当摩尔分数超出0.5%时，导电率保持稳定做到2.02×10-7S/m。Serena等根据自做的金钢石和石墨烯/环氧树脂高分子材料，比照了二者的电力学性能。结果显示:石墨烯的阀值远小于人造钻石，当石墨烯加上量为0.5%(摩尔分数)时，高分子材料的电阻从7.14×107Ω・m降低到1.02×103Ω・m，它是因为石墨烯是一种出色的电导体。

1.4防腐蚀性能

周楠等以生物基没食子酸(GA)和环氧氯丙烷(ECP)为原材料，生成了没食子酸基环氧树脂(GEP)，并为此做为石墨烯增稠剂，制取了GEP-G/EP复合型镀层。根据利用镀层吸水性、Tafel极化曲线和中性化盐雾试验对防腐蚀性能开展了定性分析。研究表明:对比纯EP镀层，该镀层电极化电阻器和自腐蚀电流相对密度提升了一个量级，且吸水性降低了0.22%，耐耐腐蚀性也获得了合理提升。王玉琼等以聚丙烯酸钠做为增稠剂，根据离心机分散化2h，再超声波分散化30min后，获得了石墨烯水溶性分散化液，并制取了G成分为0.5%(摩尔质量)的G/水溶性环氧树脂E44复合型镀层。研究表明:石墨烯的添加提升了水溶性环氧树脂的防水防火实际效果，且较纯E44镀层的Fick热扩散系数减少了两个量级;纯E44镀层自腐蚀电流相对密度为0.13μA/cm2，而G/E44复合型镀层的自腐蚀电流相对密度仅为0.038μA/cm2。

  2、存在的不足

因为石墨烯比表面大(标准偏差约为2630M2/g)、表面高，在环氧树脂里加量很大时候产生团圆和缠结，造成 其在常规中的渗透性、可靠性不佳。针对热力学和电力学性能而言，当加上小量石墨烯时，就可以做到稳定渗流阀值，再次提升石墨烯成分，对耐温性和导电率进一步提高的力度缩小。但针对机械设备和结构力学性能、防腐蚀性能，小量的石墨烯尽管能够提高性能，可到一定量时因为其在环氧树脂镀层中的团圆，会在镀层中导致裂痕、应力点和缺点，进而导致性能的降低。

伍方根据摩擦阻力检测仪精确测量了不一样成分G/EP镀层的干磨擦和海面磨擦中的摩擦阻力，发觉当G为1%(摩尔质量)时，镀层的摩擦阻力和磨损量会升高。并强调它是因为G成分过高时，会在镀层中产生团圆导致裂痕，造成 镀层在磨擦全过程极易脱落，造成的磨屑提升了镀层的摩擦阻力和磨损量。

Zhi等利用超声波分散化技术性制取了G/EP复合型涂料，并在镀层干固后开展三点弯折实验，再利用场发送扫描仪透射电镜(FE-ESM)观查镀层的破裂面。研究发现当石墨烯成分为1%(摩尔质量)时在镀层中分散化较匀称，且当成分低于1%时涂料的延展性明显提升。但当成分做到2%时在镀层中会造成团圆，进而造成缺点产生应力点，造成 涂料的延展性减少。

Liu等将G做为脱硫剂添加到环氧树脂E44管理体系中制取了G/EP复合型镀层，并在3.5%的NaCl水溶液中置放48h后测出了动电位差极化曲线。

研究表明:0.5%(摩尔质量)G/E44与1%(摩尔质量)G/E44镀层的自浸蚀电位差显著小于E44镀层，且0.5%G/E44的腐蚀电流相对密度(0.0551μA/cm2)远小于1%G/E44(0.934μA/cm2)和E44(0.121μA/cm2)镀层，表明石墨烯的添加促使环氧树脂镀层的防水防火性能获得了提升，减少了浸蚀物质的渗入。但加上过多的石墨烯会在镀层表层造成团圆，减少镀层的防水防火性能。

3、功能性石墨烯/环氧树脂涂料的研究成果

3.1功能性石墨烯

因为本征石墨烯表层的大π键构造具备疏水性和有机化学可塑性，在环氧树脂涂料极易层叠集聚，造成 石墨烯在环氧树脂常规中无法充分运用性能。为处理这一难题，世界各国学者根据在石墨烯的基本上加上别的成份和构造，产生一种新式的功能性石墨烯。这类石墨烯在维持原来基础性能的另外，还会继续授予一种新的特点，而且还可以依据对涂料性能的要求对石墨烯开展目的性的提升。

依照化学结构看来，石墨烯的功能性分成共价键融合和非共价键融合。共价键融合是根据毁坏石墨烯表层的π键构造，使其表层活性化，但这一平稳构造的毁坏，会造成 功能性石墨烯比本征石墨烯在导电性、传热等性能上有一定的降低。非共价键融合就是指利用石墨烯具备的超大型比表面这一特性，根据表层吸咐的方式，与别的有着出色性能的颗粒复合型起來。这类方式尽管沒有对石墨烯的基础构造造成毁坏，维持了石墨烯原有的性能特性，但分散化实际效果略逊于共价键融合，一般必须加上增稠剂或开展超声波分散化。

尽管针对功能性石墨烯的科学研究还处在初步阶段，将其运用于环氧树脂防腐蚀涂料的科学研究还较少。但现有一部分学者根据一些官能团异构对石墨烯表层开展装饰后，添加环氧树脂管理体系中，并证实了功能性石墨烯好于单纯性的石墨烯的加上实际效果。

3.2功能性石墨烯在环氧树脂涂料中的运用

Ghaleb等根据差示扫描仪量热仪剖析了G/EP镀层和ch-G/EP(氯仿功能性石墨烯/环氧树脂)镀层的夹层玻璃转换溫度Tg，发觉G/EP中仅有在石墨烯容积成分为0.1%时的Tg高过纯EP，而ch-G/EP中的全部试品都高过纯EP的Tg。它是因为单纯性的石墨烯在加上到一定量时候在镀层中产生团圆危害镀层性能，而历经氯仿功能性后的石墨烯可以非常好地分散化在镀层中。

Martin-GALLEGO等根据Au3 的有机化学复原，以在金颗粒表层产生的自堆积所造成的金金纳米颗粒对石墨烯表层开展了功能性装饰，并根据超声波分散化将Au/G分散化在光固化机环氧树脂涂料中。研究发现:在同样的加上量下，Au-G/EP的导电率要比G/EP高于约4个量级。陈宇选用水热法，以甲阶脲醛树脂和空气氧化石墨烯做为原材料，制取了脲醛树脂装饰的石墨烯气凝胶(p-GA)，并为此做为导电性填充料与EP产生高分子材料。研究发现:因为甲阶脲醛树脂的添加促使p-GA的三维网络架构更为健全坚固，加上小量的p-GA就可以得到 出色的导电性性能和磁屏蔽材料性能。当填充料成分为0.33%(摩尔质量)时，导电率为73S/m，磁屏蔽材料性能做到35dB。

Qi等在空气氧化石墨烯表层热聚合了硅烷，获得了硅烷功能性石墨烯(g-GO)，并与液晶显示屏环氧树脂(LCE)做为混和填充料添加到环氧树脂常规中，制取了环氧树脂复合型涂料。研究表明:当混和填充料为3%时[2%(摩尔质量)g-GO和1%LCE]，与纯环氧树脂镀层对比，复合型镀层的抗冲击性提高了132.6%，抗压强度和抗拉强度各自提高了27.6%和37.5%。较未功能性的石墨烯性能拥有进一步提高。

Ramezanzadeh等根据疑胶基硅烷装饰了空气氧化石墨烯，制取了硅烷功能性空气氧化石墨烯/环氧树脂镀层，并根据光电催化特性阻抗谱、耐腐蚀法和负极脱离实验科学研究了硅烷功能性空气氧化石墨烯对涂料性能的危害。研究表明：根据扫描仪透射电镜观查到经硅烷装饰的空气氧化石墨烯在环氧树脂常规中分散化匀称，且镀层的防腐蚀性能获得了合理提升，负极脱离状况降低。

功能性石墨烯环氧树脂涂料的科学研究尽管获得了不一样水平的进度，但因为反映标准不易控制，复合型涂料的秘方设计方案麻烦，不宜规模性制取，还需进一步寻找简单高效率的制取线路。

  4、未来展望

伴随着当代科技的发展，大家对环氧树脂基复合型涂料性能的规定愈来愈高，但因为现阶段针对石墨烯/环氧树脂复合型涂料制取的技术性科学研究并未完善，还必须在下列好多个层面进行科学研究。

(1)不可以限于考虑到石墨烯/环氧树脂涂料的综合性性能，应对于独特自然环境对石墨烯开展目的性的功能性装饰或找寻目的性的高效率增稠剂用以提高涂料的某一特殊性能。

(2)石墨烯中含氧量官能团异构成分和类型是挑选适合改性材料分子结构、改性材料方式的基本，常量元素制取出构造和性能可控性的功能性石墨烯应是将来的科学研究关键。

(3)伴随着环境保护规定的提升，防腐蚀涂料水溶性化过程已经加速开展。水溶性石墨烯环氧树脂涂料有宽阔市场前景，必须处理的难题是石墨烯在水溶性环氧树脂中的渗透性及其确保涂料优良导电性性能和传热性能。

(4)功能性石墨烯与环氧树脂复合型涂料的性能检验与应用研究还需进一步深层次，做为边缘学科，石墨烯基复合型涂料涉及到诸多行业，如石墨烯基环氧树脂涂料的阻燃等级、抗挂流性等，尚需科学研究工作人员进一步科学研究和探寻。

(5)在石墨烯表层引进功能性官能团异构的总数操纵与性能定性分析，及其在石墨烯表层精确地挑选功能性部位点，并对石墨烯/环氧树脂在化学结构上开展精细化管理的设计方案以融入涂料的不一样运用还需进一步科学研究。

来源于：涂料工业生产

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