0 引言

  石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维碳材料。2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，因此两人也共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。而此前，石墨烯一直被认为是一种假设性的结构，无法单独稳定存在。

  作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性最强的一种新型纳米材料——石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。科学家甚至预言，石墨烯将会掀起一场席卷全球的颠覆性新技术、新产业革命。石墨烯作为最前沿的战略性新兴材料，受到了全球科学家的关注，多国都在争抢石墨烯研发的龙头地位。石墨烯同时具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能，应用范围极其广泛，从超级计算机到超级电容器，到复合材料，到涂料领域，石墨烯都大有作为，而应用最快的可能就在涂料领域，其中包括导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强度涂料等。

  1 石墨烯在涂料中的应用

  石墨烯用于涂料中可制备纯石墨烯涂料和石墨烯复合涂料，前者主要是指纯石墨烯在金属表面发挥防腐蚀、导电等作用的功能性涂料；后者主要是指石墨烯首先与聚合物树脂复合，然后以复合材料制备功能性涂料，石墨烯可显著提升树脂的性能，因此石墨烯复合涂料成为石墨烯的重要应用研究领域。石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料等涂料体系中均可以大幅提高涂料的综合性能，如降低涂层厚度，增强对基材的附着力，提升涂层耐磨性，并使涂料具有绿色环保性。

  目前石墨烯的应用方式多数是将石墨烯作为功能性填料进行添加，人工制备的石墨烯容易再团聚，因而无法充分发挥石墨烯单片层的优异特性。由此带来一个关键问题，就是如何解决石墨烯在涂料中的分散稳定性。中科院宁波材料所“先进涂料与粘合技术”团队成功合成出石墨烯的一种特种分散剂，使制约石墨烯推广应用的关键瓶颈——分散技术取得突破，并将这些易于再分散的石墨烯粉体用于涂料领域，大幅改善了涂料的性能。

  1.1 利用石墨烯导电性开展的研究

  石墨烯的导电性优于银粉、铜粉等导电材料，并具备优异的机械性能及热性能，是极佳的导电涂料添加剂，将开创导电涂料的新局面。

  黄坤等以石墨烯为导电填料，同时强化环氧涂层的物理隔绝性，制备了石墨烯环氧导静电重防腐涂料，具有导电性和防腐性能，附着力良好。

  赖奇等以120~150 μm 细鳞片石墨为原料，经不同条件插层膨胀、超声粉碎后，与其他添加剂配用，制备了导电涂料，并讨论了石墨烯的粒度和结构对涂膜电阻的影响。

  2015 年，我国首条石墨烯导电油墨生产线在青岛国家高新技术产业开发区的石墨烯科技创新园落成并投入使用。该条石墨烯导电油墨生产线，依托“千人计划”专家侯士峰博士及其团队的多项国际领先专利技术，可实现年产30 t 石墨烯导电油墨及2 000 t 功能性涂料的生产。

  1.2 利用石墨烯特殊结构开展的研究

  在石油化工生产过程中，许多生产设备（如输油管道、反应釜、精馏塔、换热器等）长时间处于高温、高压下工作，由氧气和水引起的设备腐蚀，容易造成巨大的安全隐患和经济损失。传统的防腐涂层大多是通过形成致密的隔绝层抑制腐蚀。将石墨烯用于防腐涂料中，极具发展前景。首先，石墨烯稳定的sp2杂化结构，使其在金属与活性介质间形成物理阻隔层，阻止介质扩散渗透的进行；其次，石墨烯具有很好的热稳定性和化学稳定性，不论是在高温条件下，还是在具有腐蚀或氧化性的气体、液体环境中均能保持稳定。

  蓝席建等将石墨烯用于海洋重防腐蚀涂料。水性石墨烯涂料的防腐效果明显优于其他碳系材料填充的水性涂料，也比市售的水性涂料具有更为突出的耐盐雾性。当石墨烯添加量为0.6% 时，配用相应的偶联剂，能大幅度提高涂层的综合防腐性，其性价比优于传统的富锌类防腐涂料。

  常州第六元素科技有限公司、江苏海力风电设备科技有限公司、江苏道森新材料有限公司三方共同研发了以石墨烯为主体的烯锌型风电设备防护重防腐涂料，其防腐效果是传统重防腐涂料的4 倍以上，并且该涂料可薄膜涂装，增加涂布面积，提高涂料使用率。可以预期锌烯重防腐涂料用于海上风电设备，将大幅提高设备的防腐蚀能力，降低设备维护成本，实现绿色能源高效产出。

  在阻燃涂料应用方面，石墨烯的二维片层结构使其在涂料中层层叠加，可形成致密的物理隔绝层，起到突出的物理屏蔽作用，提高阻燃性；石墨烯还可以与树脂进行交联复合，在涂料中进一步形成一层致密的保护膜，起到阻隔空气的作用，从而发挥阻燃效果；在高温下，石墨烯涂层会生成CO2 和水，并生成更致密、连续的炭层，起到进一步的阻隔作用，从而提高了涂料的阻燃性。

  在耐磨涂料应用方面，纯有机涂料耐磨性差的问题限制了其工业应用，石墨烯的力学强度高达130 GPa，是迄今发现的力学性能最好的材料之一，将石墨烯添加到有机涂料中，可有效提高涂层的力学性能和耐磨性。此外，将石墨烯添加到含低表面能物质的涂料中，可以形成耐磨、超疏水涂层，达到自清洁兼防腐、耐磨的目的。海洋化工研究院有限公司已将石墨烯改性材料成功地添加到水性涂料中，制备的水性防腐底漆具有很好的抑制腐蚀扩散的作用。

  1.3 利用石墨烯导热性开展的研究

  石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，同时比表面积巨大，因此作为辅助散热的表面涂层具有广阔的应用前景。例如，石墨烯散热涂料可广泛应用于LED（发光二极管）灯，有效降低LED 灯的温度，特别是解决大功率LED 灯的散热问题，大幅延长其使用寿命。研究表明：将石墨烯涂料涂覆在LED 灯的铝基板背面时，对于0.5 W 的小功率LED 灯，可使其背面温度从40℃降低至35℃ ；对于20 W 的大功率LED 灯，更可使其背面温度从107℃降低至92℃。在使用石墨烯散热涂料时，其显著的降温效果还可以减小散热器的体积，对于小功率的LED 灯，甚至可以避免使用加工较为复杂的槽式散热器，而仅仅使用涂覆有石墨烯涂层的平板式铝片，从而显著降低了LED 灯具的成本。

  此外，石墨烯散热涂料还可以广泛应用于空调、大功率芯片等领域的散热中。

  石墨烯的热导率可达5 300 W·m-1·K-1，将石墨烯引入到涂料中，可以制备具有高导热性的防腐涂层，在化工换热器、精馏塔、蒸发器等重点设备上具有重要的应用前景。

  2 结语

  石墨烯具有高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等性能，使其在涂料中应用广泛。石墨烯在导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料等涂料体系中均可以大幅提高涂层的综合性能，如降低涂层厚度，增强对基材附着力，提升耐磨性，并具有绿色环保性。它必将推动涂料行业的新一轮产业转型升级，国家对石墨烯产业的支持政策持续而有力，相信石墨烯涂料行业的发展前景将会一片光明。

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