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什么是石墨烯？

石墨烯是一种二维晶体，由碳原子组成，既有石墨的特征，又有烯烃的特征。石墨烯中的碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。

一、石墨烯的特征？

1、最薄最坚硬

单层石墨烯厚度只有 0.335 纳米，是头发直径的二十万分之一。

2、导电性最强

石墨烯作为理想二维晶体材料，电子运动速度达到光速的 1/300，电导率可达10^6。石墨烯内部载流子迁移率可达2 × 10^5 cm^2 /Vs，是硅中电子迁移率的140倍。

3、高导热性

石墨烯是已知的导热系数最高的物质，理论导热率达到 5300 W/mK，是室温下导热最好的材料。

4、高透光性

单层石墨烯对光的吸收率仅为 2.3%，且对任何波长都有效，打破了目前常用半导体化合物如砷化镓等的吸收带仅在可见光和近红外端的限制。

5、超大比表面积

石墨烯具有 2630 ㎡/g 的超大比表面积，能够作为强力吸附剂与过滤材料，应用于环保、海水淡化等领域，还能充当储能材料负载。

二、石墨烯在功能涂料中的应用特性

近年来，石墨烯产业发展不断增速，作为一种新型的 功能纳米材料，它具有导 电性能卓越、化学稳定性优异、力学性能突出、导热性高 等特点，因而在涂料中有着广泛的应用。石墨烯在 防腐、导电、建筑隔热、海洋防污和阻燃 等功能性涂料体系中均可大幅提高涂料的综合性能，展现出诱人的潜在应用前景。

（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一般为是以下几种阻燃作用的叠加：

1、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。石墨烯以其独特的二维片层结构，在涂料中层层叠加，构建出一个坚固的物理隔绝层，从而显著提升涂料的阻燃性能。

2、石墨烯能够与涂料中的树脂发生交联复合反应，形成一层更为致密的保护膜，有效阻隔空气，进一步加强阻燃效果。

3、在高温环境下，石墨烯涂层在燃烧过程中会产生二氧化碳和水，并形成更为紧密、连续的碳层，这种碳层的阻隔作用更为出色。

研究表明：具有片层结构的氧化石墨烯在涂料受热膨胀时，能够引导自身和基体分子链的取向，进而在聚合物碳化过程中构建出坚固的骨架结构，这不仅增强了碳层的强度，还实现了阻燃和抑烟的双重效果。更令人欣喜的是，石墨烯的出色屏蔽效应使得其涂料形成的隔绝层能够有效阻挡一氧化碳等有毒降解产物的挥发，从而在火灾发生时，大大降低其危险性。

（3）石墨烯在防污涂料中的应用

防污涂料是涂装于船底和海洋水下设施的一种特殊涂料，主要是通过添加重金属等有害物质，形成一层带有毒性的表面层。这层有毒表面层能够有效杀死附着在涂膜上的海洋生物，从而避免它们附着在船底或海洋水下设施上，保障设施的顺畅运行和延长使用寿命。

石墨烯具有极高的表面能和很强的疏水作用，其表面对于微生物的生长和粘附具有天然的抵抗性，所以石墨烯具有很好的防污效果。

（4）石墨烯在重防腐涂料中的应用

石墨烯以其出色的屏蔽性能和大比表面积，在涂层中能够轻松形成一层紧密的薄膜，对提升防腐性能起到了关键作用。研究显示，通过化学气相沉积（CVD）技术生长的石墨烯，能够在铜、铝等金属表面构建有效的保护层，有效防止金属氧化和腐蚀的发生。

另一方面，通过氧化还原法制备的石墨烯可以与有机树脂混合，形成复合材料涂层。这种涂层结合了石墨烯的屏蔽作用和树脂的强附着能力，实现了长期防腐的目标。实验数据显示，采用这种石墨烯涂层相比传统涂层，能够显著降低低合金钢的腐蚀速率，降幅达到一个数量级。

除了常规的防腐功能，石墨烯还能与金属中的氢发生化学反应，有效预防氢脆现象的发生。此外，石墨烯还能增强金属的耐微生物腐蚀能力，因此也可应用于生物环境中的防腐保护层。这些特性使得石墨烯在防腐领域具有广泛的应用前景。

（5）石墨烯在散热涂料中的应用

石墨烯本身热导率高达5300W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石。因此用石墨烯制备散热涂料具有高的热导率，而且石墨烯高比表面积，能够增大涂层散热面积，可有效降低物体表面和内部温度。

石墨烯改性散热涂料能够长期在高温下工作，耐磨抗冲击性强，具有很好的耐候性，耐盐雾老化，酸碱老化，光照老化等，在各种极端环境下均可使用。可以用于需要散热的物件，如LED散热，工业设备散热，汽车零部件散热等各行业。

（6）石墨烯在高强度高耐候涂料中的应用

石墨烯本身优异的力学性能可以制备高强度高耐候涂料。在涂层中加入石墨烯，在干燥过程中形成致密网络结构，能够显著提升涂层的硬度和耐磨性能，尤其是有利于解决水性聚氨酯涂料硬度低的问题。同时石墨烯还能捕捉涂层中的自由基，延长涂层寿命。

（7）石墨烯在抗菌涂料中的应用

纳米TiO2作为光催化纳米材料的一种，有抗菌灭菌作用，但它对于可见光吸收率较低，纳米粒子趋向于聚集，大大降低了其灭菌作用。在含纳米TiO2抗菌涂料中，引入5%以下的石墨烯，明显提高涂料对可见光吸收率，并加强纳米TiO2的光催化活性和抗菌、灭菌能力，使改性后的水性聚氨酯在抗菌灭菌综合性能方面有很大提高，并且具有良好的表面性能、耐水性和力学性能。

三、石墨烯在功能涂料中的发展难点

目前石墨烯在功能性涂料方面的应用已经取得了很大的进展，但是除了防腐涂料外，其他多数研究还停留在实验室阶段。主要原因有以下几个方面：

（1）涂料行业是一个对成本十分敏感的行业，相比于现在常用的涂料填料，石墨烯的价格相对偏高，因此限制了其应用。

（2）石墨烯表面能高，在水和涂料的常用溶剂如二甲苯、醋酸丁酯中难以分散，与此同时，石墨烯涂料的性能严重依赖于石墨烯在涂料中的分散程度，因此常规的简单分散手段不适用于石墨烯涂料。

（3）目前石墨烯相关标准缺乏，导致市场上石墨烯产品性能参差不齐，对应用开发有很大的误导。

（4）目前缺乏石墨烯涂料应用标准，按照现在的标准在应用石墨烯涂料时不能发挥出石墨烯涂料的优势。

（5）在实际应用过程中，通常需要涂多层涂料，因此需要考虑涂层的配套性问题，石墨烯涂料由于发展时间短，缺乏相应的验证数据，在一定程度上限制了其应用。

目前来看，虽说石墨烯在涂料领域的发展势头较好，但还存在很多关键性技术问题需要解决，相信随着研究的持续深入和科技的快速发展，这些问题都会迎刃而解，石墨烯也必将推动涂料产业的新一轮转型升级。