聊一聊超赞的石墨烯导电涂料
2020-08-04 14:58阅读：
近年来，随着现代科学技术的快步发展，导电涂料作为一种新型特种功能涂料被广泛应用于输电设备、石油化工、电子电气和航空航天等领域。导电涂料可用于排除基体内的静电荷、传导电流，同时在基材表面形成保护层，有效阻隔腐蚀介质对基材的破坏，具有良好的导电性、耐腐蚀性、电磁屏蔽性和附着力，被认为是粉末涂料发展的一个重要方向，拥有广阔的市场前景。
靖江墨烯服饰科技有限公司是石墨烯产品应用技术研发企业之一，现已成功开发出石墨烯复合纤维，并具有抗菌、抑菌、低温远红外、抗静电、抗紫外线和防辐射、传导清凉等多项功能，已成功用于家纺、服装等领域。
石墨烯导电涂料概况
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分散性
石墨烯导电涂料是以高分子聚合物为基础，通过一定的制备工艺，填充石墨烯导电填料，从而使涂料具有导电性能。导电涂料主要由高分子聚合物，石墨烯导电填料，溶剂及助剂组成。石墨烯导电涂料的导电性能受石墨烯本身的分散性的影响极大，一般来说，石墨烯分散越均匀，导电涂料的导电性越好。然而，由于石墨烯自身的不溶性以及片层之间存在较强的范德华力和
π-π 堆积作用 [21-22]
，通常情况下石墨烯在水、有机溶剂和聚合物中容易发生不可逆的聚集和沉淀，直接影响导电网络在高分子聚合物中的构建，极大地限制了石墨烯在导电涂料中
的应用。氧化石墨烯（GO）具有与石墨烯相似的平面结构，且表面含有大量的含氧官能团，如羟基(-OH)、环氧基[-C(O)C-]、羰基(-C＝O)、羧基(-COOH)等，这类基团的存在使GO
的部分物理性能低于石墨烯，但能够赋予其良好的分散性和反应活性。大量的研究表面，一方面通过添加不同的助剂，改善石墨烯的分散性以及与树脂的相容性，制备成石墨烯分散液、减少石墨烯在涂料中的团聚程度；另一方面利用
GO 功能化改性处理实现分散的目的，满足不同涂料体系的使用需求。
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添加量
石墨烯的共轭结构使之具有很高的电子迁移率、优异的电学性能和强的力学性等特性，有利于制备高电导率、耐冲击、耐腐蚀的导电涂料，在树脂基体中加入少量石墨烯时，会发生明显的电子渗流现象，显示其在导电涂料领域巨大的应用潜力。然而，石墨烯添加量过少，则不能形成导电网络，使电子传输滞后；而过量的石墨烯又会引起石墨烯的堆叠和团聚，在涂料体系中引入大量空气界面，大大降低涂料的机械性、附着力及导热性等，大量实验开展了对石墨烯添加量的研究，结果表明不同体系的导电涂料所需石墨烯的含量有差别。
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复合填料
随着石墨烯导电填料含量的增加，涂层的表面电阻逐渐减小，但是当石墨烯添加量过大时，涂料的力学性、施工性能、外观质量及稳定性均变差，通过将碳系、金属、金属氧化物中的两种及以上用物理或化学方法进行复合，制得高分散性及导电性、低成本的复合导静电填
料，是减少填料用量的一种方法 [34] ，此外，片层结构的石墨烯纳米材料与 0D 和 1D
的导电粒子有效搭接、协同分散，更好地形成空间导电网络，使复合体系具备良好的导电性。
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制备工艺
石墨烯填充聚合物制备导电复合涂料的制备工艺主要有三种：溶液混合法、熔融共混法、原位聚合法。
溶液混合法：将聚合物溶解于水性或油性溶剂中，再与分散好的石墨烯分散液混合，最后再除去溶剂制备导电涂料。Shahabadi
等 [40]
利用木质素从石墨原料中制备非共价键修饰的石墨烯，将木质素修饰的石墨烯(LMG)加入到水性聚氨酯(WPU)中，通过一种简单、环保、仅以水为介质的方法制备得到
WPU/LMG纳米复合材料，动态力学分析显示其储能模量增量高达 171%，并表现出良好的自修复功能和紫外线光稳定性，其导电性高达
0.276 S/m。
熔融共混法：在聚合物基体中加入石墨烯基填料、助剂等，通过高温和剪切力的作用，将聚合物和填料混合均匀。黄坤等
[41] 以石墨烯粉体为填料，环氧E-44
为基料研制了一种环氧复合防腐导电涂料，对比了不同石墨烯含量的复合涂料与纯环氧涂料、炭黑环氧涂料、环氧富锌涂料、玻璃鳞片涂料的导电和防腐等方面的性能，结果表明：石墨烯用量为
0.5%时，涂层防腐性能优良，用量为 1%时，涂层表面电阻率为10 6 Ω。
原位聚合法：将石墨烯分散到聚合物单体中，利用聚合物和石墨烯基团之间发生“单体-石墨烯-单体”原位聚合反应，制备出性能稳定的导电复合涂料，为了提高石墨烯和聚合物的相容性以及石墨烯的分散性，该反应中通常加入改性石墨烯或者氧化石墨烯。Fadil
等 [42]
采用苯乙烯（St）和丙烯酸正丁酯（nAB）为聚合物基体，以十二烷基硫酸钠（SDS）作为表面活性剂，通过微乳液聚合法合成胶体稳定的 GO
聚合物纳米颗粒（如图 3 所示），进而使其在室温下滴注成膜，再经过热处理将 GO 转化为 rGO，使纳米复合膜导电，结果显示负载 5
wt%大片层 GO 的薄膜，其电导率随着 SDS 浓度的增加而增加，SDS 最高的浓度
为 1 wt%（相对于有机相）时，其电导率达到了 1 S/m。Zhao 等 [43] 采用热强碱还原 GO 得到的 rGO
后加入十二烷基苯磺酸（DBSA）和 NaOH 得到 rGO/SDBS（十二烷基苯磺酸钠）溶液，再将掺杂多种酸的
PANI（聚苯胺）加入到 rGO/SDBS 溶液中，通过一步乳液聚合法使 PANI 在 rGO 表面均匀分布制备
PANI/RGO，改善 rGO 在 PANI 体系中的分散性，结果显示 PANI/rGO具有良好的热稳定性、导电性（11.71
S/cm）和水分散性。基于其优异的性能，将 PANI/rGO 与水性环氧树脂相结合制备了导电防腐涂料，并对其进行了测试研究，添加了 3
wt% PANI/rGO 的涂料表面电阻率为2.48×10 8
Ω，并表现出良好的耐腐蚀性、附着力、脆性和耐冲击性。
总结与展望
随着科学技术和涂料工业的快速发展，导电涂料的需求会逐步增加，对其质量的要求也会越来越高。石墨烯具有电子迁移率高、电阻率低、透光性好、导热系数高、机械强度高等众多特性，作为一种新型的导电填料用于提升导电涂料的导电性，在生产、生活和军用等方面有着良好的发展前景。目前针对石墨烯在导电涂料中的应用尚处于基础研究阶段，关于石墨烯在导电涂料中的分散方法、添加量、石墨烯复合填料以及制备工艺等问题在实际应用中的研究较少，因此，开展石墨烯在导电涂料中的实际应用研究具有重要意义。
