石墨烯在涂料领域的两个应用方向——防腐与散热
来源:morion日期:2020-12-25 浏览:92次

石墨烯作为一味大热的“工业味精”,与涂料这道“菜”一起“烹饪”会制作出怎样的“美味佳肴”呢?

石墨烯具有独特的结构性质,其片层之间交叠排列,在涂层中可形成屏蔽结构,能够有效地抑制腐蚀介质的渗透和扩散,从而提高涂层的耐腐蚀性能;加上石墨烯导热系数高达5300W/m▪K,具有优异的热传导性能,可有效降低界面热阻同时辐射散热系数超过0.95,大幅提升涂料的辐射散热能力使得它在散热涂料领域同样具有很好的应用前景。

本文将针对石墨烯在涂料领域的两个重要应用方向——防腐与散热展开介绍。

1. 石墨烯重防腐涂料

据了解,材料腐蚀导致的经济代价高达国民生产总值的3%-5%,我国每年因腐蚀造成的经济损失达1.2万亿元,可约建441个鸟巢、7个三峡工程、46条青藏铁路,其中海洋腐蚀为重中之重[1]。随着国家一系列重大基础设施的建设、工业产品技术的不断快速升级发展,腐蚀与防护技术已经成为保障工程结构服役安全、可靠性和工业产品质量甚至能否实现产品目标的关键核心技术之一[2]

因此,国家早在2016年就把石墨烯重防腐涂料列入《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录(2016-2017年本)》中,并列为2016年国家工业强基工程示范应用重点方向。除此之外,中国经济信息社发布的《2017-2018中国石墨烯发展年度报告》中明确表示:石墨烯重防腐涂料对国家安全和海洋经济发展意义重大,且近年来在海洋重防腐、交通等重大工程上的应用步伐不断加快,同时要求不断深入开展石墨烯防腐涂料的研究与应用。”

根据行业标准HG/T 5573-2019《石墨烯锌粉涂料》,石墨烯重防腐涂料是基于石墨烯的一种新型重防腐涂料,通过对石墨烯改性,将改性石墨烯添加到防腐涂料体系。与传统用于防腐的环氧富锌底漆相比,石墨烯重防腐涂料的锌粉用量明显降低,故而施工时的锌污染可以得到大大减轻除了更环保、更有利于可持续发展外,更重要的是石墨烯重防腐涂料在防腐性能上有着环氧富锌底漆不可比拟的优势。

首先比较一下两种涂料的行业标准:


图片来源:摘自HG/T 5573-2019《石墨烯锌粉涂料》



图片来源:摘自HG/T 3668-2009《富锌底漆》

其中,石墨烯锌粉涂料标准的中性盐雾实验和富锌底漆标准中的盐雾实验都根据GB/T 1771-2007进行,故两者具有可比性。



石墨烯锌粉涂料行业标准对其不挥发物含量的规定为不少于60%,不挥发分中金属锌含量规定不少于30%,耐盐雾性需要达到1440h;而《富锌底漆标准中对不挥发物含量的规定为不少于70%,不挥发分中金属锌含量规定不少于60%,而耐盐雾性只需达到200h。

根据以上信息可以推断出,石墨烯锌粉涂料中金属锌的含量最少为18%,富锌底漆中则为42%,两者相差24%,但防腐性能中的主要指标耐盐雾性天差地别——前者为1440h,而后者仅为200h。由此可见,石墨烯材料对石墨烯锌粉涂料中的优越防腐性能起决定性作用。

石墨烯锌粉涂料和富锌底漆防腐性能的优劣差异除了在行业标准中可见在行业内某些企业的产品宣传有所体现如山东欧铂新材料有限公司的石墨烯防腐涂料,在添加了石墨烯的溶剂型涂料中,锌粉含量为20%的涂料耐盐雾性即可达到>1000h。而市面上能够满足C3中度腐蚀环境防腐要求的富锌底漆的含锌量普遍为70%以上,并且通常需要不挥发份中金属锌含量≥90%才可达到1000小时的耐中性盐雾时间。



山东欧铂石墨烯防腐涂料技术参数图片来源:欧铂产品手册

梁宇等[3]人对环氧富锌涂料和石墨烯重防腐涂料的耐盐雾性能进行了对比实验——后者的2000 h 盐雾划痕处腐蚀扩展<1 mm而前者腐蚀明显(见下图)。



图为石墨烯环氧锌基涂层 2000h划痕盐雾测试结果

石墨烯重防腐涂料可应用于油田设施、输油管道、海上工程、石油化工厂的钢结构和钢筋混凝土结构、铁路及公路桥梁、交通运输工具等领域。优异性能和广泛适用性吸引了多个有防腐需求的项目采用,比如江苏道蓬科技有限公司的石墨烯防腐涂料已在海上风电场、陇海铁路等项目中得到应用;山东欧铂新材料有限公司的石墨烯改性锌粉底漆已在多个储罐项目中得到应用。


山东欧铂石墨烯改性锌粉底漆应用(图片来源:山东欧铂产品手册)

2. 石墨烯散热涂料

与石墨烯防腐涂料产品的成熟度相比,现阶段的石墨烯散热涂料大多处于实验室研究阶段根据CGIA《石墨烯散热市场研究报告》,有少数企业已经实现了石墨烯散热涂料在电脑服务器、内存条产品上的小规模应用国内也暂时没有针对此类产品制定相关标准。

但在国家专利检索网站搜索可以发现,已经有一些新材料化工企业对此领域开始了紧锣密鼓的专利布局。如江苏江南烯元石墨烯科技有限公司与常州大学研究人员共同撰写的《石墨烯微片水性散热涂料的性能研究》一文中提到——当散热涂层中的石墨烯微片质量分数为15%时,其导热系数可达到0.97 W·m-1·K-1,在55℃和85℃的热源下涂层分别降温7℃和9℃[4]。对此项研究成果,该企业与其他关联合作,目前已有相关的四项专利正处于实审阶段。

3. 国内相关企业的石墨烯涂料布局

一片蓝海的石墨烯涂料市场吸引了不少企业纷纷宣布开展石墨烯涂料项目产业化。烯旺在今年的发布会上公布了其石墨烯涂料的布局——不仅在深圳总部设立石墨烯涂料运营中心,还在全国设立多家研发机构,在华南和华东分别投资建立了配套的大型万吨以上涂料生产基地。

还有河北燕园众欣石墨烯科技有限公司于今年6月开工建设生产基地,建成后预计可年产石墨烯涂料15000吨;福建科华中盈新材料有限公司的石墨烯系列新材料项目签约落户福建泉州台商投资区,主要生产石墨烯的特种涂装、超导材料和复合纤维材料;哈尔滨万鑫石墨谷科技有限公司投资1.5亿元建设年产2万吨石墨烯防腐涂料项目并投资1亿元建设年产1万吨石墨烯防火涂料项目……

并非只有石墨烯相关新材料企业看好石墨烯涂料的前景,传统建筑涂料及木器涂料领域的巨头三棵树也正在该领域开展研发工作。根据其在2019年年报中披露的信息,其“功能化石墨烯绿色环保涂料产业化项目”、“高性能石墨烯水性防腐涂料研发”和“石墨烯防腐涂料的开发与应用”三个项目都处于中试阶段。

由此可见,石墨烯材料的优越性能和蕴含的巨大市场吸引了众多企业。石墨烯材料不仅能给涂料行业带来新的发展机遇,还能带领许多面临防腐、散热难题的传统行业走出困境迎来更广阔的发展空间

[1] 佚名.重防腐涂料发展现状与前景分析[EB/OL].(2015-01-09)[2020-12-21].http://www.itujie.com.cn/cy/yjbg/2015/01/09/3402.html

[2] 李思豪. 广东腐蚀科技创新研究院成立,服务大湾区建设防腐需求[EB/OL].(2020-03-14)[2020-12-21].http://www.itujie.com.cn/cy/cydt/2020/03/14/10598.html

[3]  梁宇,陈凯锋,黄从树,王晶晶.石墨烯在功能涂料中的应用研究进展[J].装备环境工程,2019,16(08):95-101.

[4] 袁超,王刚,郭冰,储富强,陶永新.石墨烯微片水性散热涂料的性能研究[J].鲁东大学学报(自然科学版),2020,36(03):252-257.

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