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石墨烯/环氧树脂复合涂料研究进展(二)
出处:慧聪化工网  录入日期:2018-04-25  点击数:1312

  3、功能化石墨烯/环氧涂料的研究进展
    3.1功能化石墨烯
    由于本征石墨烯表面的大π键结构具有疏水性和化学惰性,在环氧涂料中易堆叠聚集,导致石墨烯在环氧基体中难以充分发挥性能。为解决这一问题,国内外学者通过在石墨烯的基础上添加其他成分和结构,形成一种新型的功能化石墨烯。这种石墨烯在保持原有基本性能的同时,还会赋予一种新的特性,并且也可以根据对涂料性能的需求对石墨烯进行针对性的优化。
    按照化学结构来看,石墨烯的功能化分为共价结合和非共价结合。共价结合是通过破坏石墨烯表面的π键结构,使其表面活性化,但这一稳定结构的破坏,会导致功能化石墨烯比本征石墨烯在导电、导热等性能上有所下降。非共价结合是指利用石墨烯具有的超大比表面积这一特点,通过表面吸附的方法,与其他拥有优异性能的粒子复合起来。这种方法虽然没有对石墨烯的基本结构产生破坏,保持了石墨烯固有的性能特点,但分散效果略逊于共价结合,一般需要添加稳定剂或进行超声分散。
    虽然对于功能化石墨烯的研究还处于初步阶段,将其应用于环氧树脂防腐涂料的研究还较少。但已有部分学者通过某些官能团对石墨烯表面进行修饰后,加入环氧体系中,并证明了功能化石墨烯优于单纯的石墨烯的添加效果。
    3.2功能化石墨烯在环氧涂料中的应用
    Ghaleb等通过差示扫描量热仪分析了G/EP涂层和ch-G/EP(氯仿功能化石墨烯/环氧树脂)涂层的玻璃转化温度Tg,发现G/EP中只有在石墨烯体积含量为0.1%时的Tg高于纯EP,而ch-G/EP中的所有样品都高于纯EP的Tg。这是由于单纯的石墨烯在添加到一定量时会在涂层中形成团聚影响涂层性能,而经过氯仿功能化后的石墨烯能够很好地分散在涂层中。
    Martin-GALLEGO等通过Au3+的化学还原,以在金粒子表面发生的自沉积所产生的金纳米粒子对石墨烯表面进行了功能化修饰,并通过超声分散将Au/G分散在光固化环氧涂料中。研究发现:在相同的添加量下,Au-G/EP的电导率要比G/EP高出约4个数量级。陈宇采用水热法,以甲阶酚醛树脂和氧化石墨烯作为原料,制备了酚醛树脂修饰的石墨烯气凝胶(p-GA),并以此作为导电填料与EP形成复合材料。研究发现:由于甲阶酚醛树脂的加入使得p-GA的三维网络结构更加完善牢固,添加少量的p-GA就可以获得优异的导电性能和电磁屏蔽性能。当填料含量为0.33%(质量分数)时,电导率为73S/m,电磁屏蔽性能达到35dB。
    Qi等在氧化石墨烯表面接枝了硅烷,得到了硅烷功能化石墨烯(g-GO),并与液晶环氧(LCE)作为混合填料加入到环氧基体中,制备了环氧树脂复合涂料。研究表明:当混合填料为3%时[2%(质量分数)g-GO和1%LCE],与纯环氧涂层相比,复合涂层的耐冲击性提升了132.6%,抗拉强度和抗弯强度分别提升了27.6%和37.5%。较未功能化的石墨烯性能有了进一步提升。
    Ramezanzadeh等通过凝胶基硅烷修饰了氧化石墨烯,制备了硅烷功能化氧化石墨烯/环氧树脂涂层,并通过电化学阻抗谱、盐雾法和阴极剥离试验研究了硅烷功能化氧化石墨烯对涂料性能的影响。研究表明:通过扫描电子显微镜观察到经硅烷修饰的氧化石墨烯在环氧基体中分散均匀,且涂层的防腐性能得到了有效提高,阴极剥离现象减少。
    功能化石墨烯环氧树脂涂料的研究虽然取得了不同程度的进展,但由于反应条件不易控制,复合涂料的配方设计不便,不适合大规模制备,还需进一步寻求简便高效的制备路线。
    4、展望
    随着现代科技的发展,人们对环氧树脂基复合涂料性能的要求越来越高,但由于目前对于石墨烯/环氧树脂复合涂料制备的技术研究尚未成熟,还需要在以下几个方面开展研究。
    (1)不能局限于考虑石墨烯/环氧涂料的综合性能,应针对特殊环境对石墨烯进行针对性的功能化修饰或寻找针对性的高效分散剂用于提升涂料的某一特定性能。
    (2)石墨烯中含氧官能团含量和种类是选择合适改性分子、改性方法的基础,宏量制备出结构和性能可控的功能化石墨烯应是未来的研究重点。
    (3)随着环保要求的提高,防腐涂料水性化进程正在加快进行。水性石墨烯环氧涂料有广阔前景,需要解决的问题是石墨烯在水性环氧树脂中的分散性以及保证涂料良好导电性能和导热性能。
    (4)功能化石墨烯与环氧树脂复合涂料的性能检测与应用研究还需进一步深入,作为交叉学科,石墨烯基复合涂料涉及众多领域,如石墨烯基环氧涂料的阻燃性、抗挂流性等,有待科学工作者进一步研究和探索。
    (5)在石墨烯表面引入功能化官能团的数量控制与性能表征,以及在石墨烯表面准确地选择功能化位置点,并对石墨烯/环氧树脂在化学结构上进行精细化的设计以适应涂料的不同应用还需进一步研究。

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