碳納米管在功能涂料中的應(yīng)用與進(jìn)展
近年來,國內(nèi)外涂料行業(yè)日漸追求納米技術(shù)的應(yīng)用,致力于提高涂料性能或賦予其特殊功能。目前,納米材料在涂料中的應(yīng)用已取得初步成效,在涂料中添加納米材料可大大提高其粘結(jié)性、耐沖擊性、柔韌性,改善耐老化性、耐腐蝕性等傳統(tǒng)性能,此外,還可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)涂料的自潔、抗靜電、吸波隱身等功能。碳納米管具備極高的機(jī)械強(qiáng)度、吸附能力及一定的導(dǎo)電能力等特性,將其應(yīng)用于涂料領(lǐng)域,不僅能夠極高涂層傳統(tǒng)性能,還將為涂層帶來新的功能,因此碳納米管被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ睦硐胄图{米材料。
一、碳納米管的結(jié)構(gòu)及性能
1.1 碳納米管結(jié)構(gòu)
碳納米管中碳原子通過sp2雜化,六角形具有的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有一定的彎曲度,因此形成了空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)然,sp3雜化鍵也存在,形成sp2與sp3共存的混合狀態(tài)。碳納米管由單層或多層的石墨片繞中心卷曲而形成的納米管狀結(jié)構(gòu),根據(jù)石墨片層數(shù)不同分為單壁碳納米管(SWCNTs)及多壁碳納米管(MWCNTs)。
1.2 碳納米管的性能
碳納米管因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)而具備優(yōu)越的物理、化學(xué)性能。如其質(zhì)量較輕,但強(qiáng)度較高;其sp2、sp3雜化幾率不同且有較大的長徑比,使得碳納米管具備優(yōu)異的彈性;其分子結(jié)構(gòu)的螺旋特性使由碳納米管制備的吸波材料吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的吸收材料;碳納米管的導(dǎo)電性能、光學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性能可媲美金屬結(jié)構(gòu);此外該材料的耐酸、耐堿性及熱穩(wěn)定性亦非常優(yōu)異。
二、碳納米管在涂料中的應(yīng)用
2.1 導(dǎo)靜電涂料
導(dǎo)電涂料是一種具有傳導(dǎo)電子、排除累積電荷能力的功能性涂料,在航天航空、電子、石油化工等領(lǐng)域備受青睞。在眾多導(dǎo)電涂料種類中,常見的導(dǎo)電填料有銀粉、鎳粉、銅粉等金屬性質(zhì)填料,有碳黑、石墨、碳纖維等碳結(jié)構(gòu)導(dǎo)電填料。其中,碳結(jié)構(gòu)填料中的碳納米管具有較大的長徑比及很好的導(dǎo)電性能,由于其質(zhì)量輕密度小,用于涂料中不易于沉淀,因而在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域獲得越來越多的關(guān)注。
2.2 電磁屏蔽復(fù)合涂料
現(xiàn)如今,電子科技的快速發(fā)展及通訊設(shè)備的普及已經(jīng)影響到人們生活的方方面面,但隨之而來的電磁干擾、電磁輻射正危害人們的健康。目前電磁屏蔽復(fù)合涂料是當(dāng)下研究的熱點(diǎn),其組成成分中導(dǎo)電填料是較關(guān)鍵組分之一。與導(dǎo)電涂料類似,在電磁屏蔽涂料體系中,通過添加一定含量的碳納米管即可使得涂料呈現(xiàn)出電磁屏蔽特效,使用后能夠有效減少電磁干擾。研究發(fā)現(xiàn),通過增加電磁屏蔽涂料中碳納米管用量,涂料的屏蔽能力可逐漸增強(qiáng);添加量相同時(shí),碳納米管管徑越小,在形成電網(wǎng)鏈過程中其相互接觸的機(jī)率增加,利于形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此涂料的屏蔽效能隨碳納米管管徑減小而增強(qiáng)。
2.3 隱身吸波涂料
隱身吸波涂料是現(xiàn)代隱身技術(shù)的重要突破,在飛行器、雷達(dá)等裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此類涂料主要由粘結(jié)劑與吸收劑組成,粘結(jié)劑作為主要成膜物質(zhì),吸收劑的電磁參數(shù)在很大程度上影響了涂料的吸波性能。目前行業(yè)使用的吸收劑主要有導(dǎo)電炭黑、鐵氧體、金屬性質(zhì)超細(xì)粉末、羰基鐵、納米吸收劑等等,其中碳納米管作為吸收劑呈現(xiàn)出很好的吸收特性,所制備出的吸波涂料還具備優(yōu)越的力學(xué)性能,是隱身吸波涂料領(lǐng)域的重點(diǎn)研究材料。
三、碳納米管功能涂料發(fā)展方向
功能涂料中碳納米管作為一種新型材料,對其改性或預(yù)處理后已廣泛應(yīng)用于交通、建筑、器械、石油化工等領(lǐng)域,若要將碳納米管材料的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大,還需要對碳納米管在純化、修飾、表征、組裝等方面進(jìn)行改善:
(1)碳納米管在制備技術(shù)上還存在一定缺陷,生產(chǎn)成本過高,而產(chǎn)品純度較低,嚴(yán)重限制了碳納米管的推廣。因此碳納米管制備技術(shù)上首先需要深入探究其高純度、高質(zhì)量的大規(guī)模制備方法,其次降低碳納米管生產(chǎn)成本。
(2)碳納米管較大的長徑比與比表面積雖然有眾多優(yōu)勢,但其粒子之間存在很強(qiáng)的范德華力,容易相互吸附團(tuán)聚。為了保證涂料正常使用,良好的分散效果是很關(guān)鍵的,因此,探索碳納米管在涂料中的分散條件是解決此問題的重要途徑。
(3)功能涂料常常應(yīng)用于環(huán)境嚴(yán)苛的戶外,因此碳納米管與成膜基體的界面粘合力需要進(jìn)一步改善,采取修飾改性等措施增強(qiáng)兩相界面間的粘合力,保證涂料的使用壽命。
(4)在不同種類功能涂料中,碳納米管的具體應(yīng)用并不完全清晰,在用量、形狀、作用機(jī)理等方面探究的較為模糊,今后需要針對不同涂料的作用,探明碳納米管在各涂料中最優(yōu)使用條件。
四、碳納米管在涂料中的應(yīng)用前景
現(xiàn)如今,涂料行業(yè)的發(fā)展日漸注重產(chǎn)品性能、功能及生態(tài)化,碳納米管的各項(xiàng)物理化學(xué)性能不僅滿足涂料性能需求,也能滿足環(huán)保要求,是一種理想的無污染環(huán)保材料。目前我國納米復(fù)合涂料領(lǐng)域還未成熟,處于快速發(fā)展階段。我們要做的就是不斷研究,保證納米復(fù)合涂料得到持續(xù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,使我國涂料工業(yè)進(jìn)入新階段。
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