石墨烯在水性涂料中應用

       水性涂料是國家提倡發(fā)展的環(huán)境友好型涂料，但某些性能尚不及相應的溶劑型涂料，影響其發(fā)展。石墨烯具有獨特性能，可改善水性涂料性能，促進其發(fā)展，給涂料工作者帶來新的期待。石墨烯在涂料中應用首先是改性溶劑型涂料，但用于改性水性涂料也有明顯進展。改性方法可用共混法復合改性，也可用原位聚合和溶膠-凝膠技術(shù)復合法改性，還可用偶聯(lián)劑修飾，同時實行不同的功能改性。

 

       用鈦酸酯偶聯(lián)劑修飾水分散改性石墨烯

 

       按通用方法將石墨制成氧化石墨烯，向氧化石墨烯分散液內(nèi)分別加入鈦酸酯和水合肼，在水浴加熱法下發(fā)生反應，使氧化石墨烯還原并同時嫁接上鈦酸酯偶聯(lián)劑分子。將獲得的混合液進行后處理和真空干燥，得到粉末狀改性石墨烯。

 

       由于鈦酸酯偶聯(lián)劑對氧化石墨烯進行了表面修飾，不再產(chǎn)生團聚，故石墨烯水分散體穩(wěn)定性高，可長時間貯存，適合用于復合材料及涂層材料的制備。制備工藝簡便，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品均能符合環(huán)保要求。

 

       石墨烯與基體樹脂共混復合水性涂料

 

       1.水性導電涂料

 

       石墨烯/聚酯樹脂復合水性導電涂料。用Hummers法制備氧化石墨烯，經(jīng)兩步化學還原法得到有機分子修飾的石墨烯水溶液，加入聚酯、助劑和交聯(lián)劑、催化劑，經(jīng)液態(tài)共混，制備得到水性導電石墨烯涂料。該涂料具有高導電性能和力學性能，可應用于電磁屏蔽、抗靜電、防腐、散熱、耐磨及電子線路等領域，具有廣泛的應用價值。

 

       2.石墨烯改性水性環(huán)氧樹脂耐磨玻璃涂料

 

       石墨烯改性的耐磨水性玻璃涂料由兩組分組成，第一組分為基體成膜物，第二組分為固化劑。其中第一組分包括改性環(huán)氧樹脂20%～40%、助劑0.5%～7%、氧化石墨烯0.1%～5%、偶聯(lián)劑1%～2%，其余為水（均為質(zhì)量分數(shù)）；第二組分是胺類固化劑。在使用前將兩組分混合，其中第二組分占混合物質(zhì)量分數(shù)的3%～30%。該涂料具有硬度高、耐磨性好、與玻璃基底親和力與附著力強、耐水、耐乙醇性好，且符合環(huán)保要求。另外制備方法簡便，具有重要的商業(yè)化應用價值。

 

       3 .石墨烯改性丙烯酸酯聚合物水泥防水涂料

 

       用Hummers法制備的氧化石墨烯加入丙烯酸酯類聚合物乳液中，加入選用的助劑，按比例加入水泥，攪拌分散，制成氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料。該涂料顯著增加了丙烯酸酯類聚合物乳液成膜的抗拉強度；提高了耐水性；此外，氧化石墨烯豐富的含氧官能團可以調(diào)節(jié)水泥水化產(chǎn)物晶體的生長，提高其抗拉強度和韌性。故氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有良好的耐久性、抗?jié)B性以及物理力學性能，應用前景廣闊。

 

       4.石墨烯改性聚氨酯樹脂復合水性涂料

 

       4.1 石墨烯/水性聚氨酯納米復合乳液

 

       將真空脫水的聚醚多元醇（N210）和TDI反應制得聚氨酯預聚體，加入二羥甲基丙酸引入親水羧基，加三乙胺中和鹽基化，加入氧化石墨烯水溶液、去離子水和乙二胺進行乳化反應，減壓蒸餾出丙酮后，滴加維生素C溶液進行原位還原反應，得到石墨烯/水性聚氨酯納米復合乳膠樹脂。該乳膠樹脂可應用于靜電防護、防腐涂層、建筑涂料等領域，本發(fā)明工藝簡便、環(huán)保、適合大規(guī)模生產(chǎn)。

 

       4.2 石墨烯/TiO2復合材料改性水性聚氨酯抗菌涂料

 

       納米TiO2作為光催化納米材料的一種，有抗菌滅菌作用，但它對于可見光吸收率較低，納米粒子趨向于聚集，大大降低了其滅菌作用。在含納米TiO2抗菌涂料中，引入5%以下的石墨烯，明顯提高涂料對可見光吸收率，并加強納米TiO2的光催化活性和抗菌、滅菌能力，使改性后的水性聚氨酯在抗菌滅菌綜合性能方面有很大提高。并且具有良好的表面性能、耐水性和力學性能。

 

       4.3 石墨烯/聚氨酯原位聚合的水性導電涂料

 

       石墨烯相比傳統(tǒng)的碳系導電填料（炭黑、石墨、碳納米管、碳纖維等）具有更加優(yōu)異的導電性及機械性能。

 

       用二元胺對氧化石墨烯進行氨基化改性，后用化學還原恢復石墨烯的共軛導電體系，利用石墨烯表面的—NH與—NCO封端的水性聚氨酯原位聚合，制得含石墨烯的水性聚氨酯導電涂料。

 

       該導電涂料具有防輻射、抗靜電、防腐蝕、耐磨等特性，可用于高分子材料、金屬材料、紡織材料表面等方面。

 

       4.4 用溶膠-凝膠技術(shù)制備改性石墨烯/水性聚氨酯納米復合涂料

 

       用溶膠-凝膠技術(shù)制備改性石墨烯/水性聚氨酯復合納米涂料，分3部分：

 

       （1）硅烷改性石墨烯納米薄膜制備。用Hummers法制備氧化石墨烯（GO），然后對GO水分散體用水合肼化學還原成GNS，再用DCC（N,N'-二環(huán)己基碳化二亞胺）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）功能改性，用超聲波分散1 h，在70 ℃下攪拌反應24 h，經(jīng)后處理得到APTES功能改性的石墨烯納米膜f-GNS。

 

       （2）硅烷APTES封端的水性聚氨酯（WPU）制備。用異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚氧化丙二醇、一縮二乙二醇和三羥甲基丙烷混合多元醇合成PU預聚物，再和二羥甲基丙酸反應，然后加APTES反應，得到APTES封端的水性聚氨酯（WPU），產(chǎn)率86.3%，數(shù)均分子量28 600（GPC測定）。

 

       （3）溶膠-凝膠技術(shù)制備f-GNS/WPU納米復合涂料。借助超聲波將f-GNS粉末分散在去離子水中制成懸浮液，將APTES封端的WPU加入其中一起混合，用三乙胺調(diào)節(jié)pH值，制成f-GNS/WPU納米復合涂料。