中國粉體網訊 石墨烯是由單層碳原子以 sp2 雜化方式連接而成的蜂窩狀二維平面材料，其具備眾多優異的特性，例如：高載流子遷移率、高透光性、高比表面積、高楊氏模量、高斷裂強度等。這些特性使石墨烯成為提升熱固性樹脂性能的理想填料。 熱固性樹脂材料因具有比強度高、比模量大、熱穩定性和抗腐蝕性能好等優點而受到工業界和學術界的廣泛關注。
石墨烯結構示意圖
1 石墨烯改性熱固性樹脂概述
石墨烯/熱固性樹脂是以石墨烯粉體作為增強體，熱固性樹脂作為基體構成的復合材料。通過石墨烯粉體的添加，可以明顯的增強熱固性樹脂的力學、抗燒蝕、電學、耐腐蝕和耐磨性能。石墨烯粉體的有效分散是提升熱固性樹脂性能的關鍵所在。利用表面改性和合理的混料方式可以顯著提高石墨烯在樹脂基分散程度。
2 石墨烯粉體表面改性
石墨烯粉體的表面改性有兩種主要方式：共價鍵改性和非共價鍵改性。
共價鍵改性是一種利用化學反應實現改性劑在石墨烯表面共價鍵結合，或對石墨烯進行特殊處理，形成新的官能團或化學鍵，從而提高石墨烯粉體在樹脂基體中的相容性和分散性的方法。
非共價鍵改性主要是通過 π-π 鍵堆積作用將改性基團與石墨烯結合，實現對石墨烯的有效改性。這一方法的優點在于，不改變石墨烯化學結構或引入新的共價鍵的前提下，提高石墨烯的分散性。
針對不同種類的熱固性樹脂基體，需選擇合適的改性方式，在不影響樹脂基體性能的前提下，使得石墨烯粉體能夠在樹脂內實現均勻分散。
(a)石墨烯共價鍵修飾原理；(b)重氮鹽法改性石墨烯；(c)開環反應改性石墨烯；
(d)石墨烯非共價鍵修飾原理；(e)π-π 鍵吸附改性 GO；(f)π-π 鍵吸附改性 rGO
3 石墨烯對樹脂基體復合材料性能的影響
石墨烯作為一種新型增強體填料，將其均勻分散在熱固性樹脂基體中，可以顯著提升復合材料的力學性能、耐燒蝕性能、電學性能、耐腐蝕性能以及耐磨性能，從而擴寬熱固性樹脂基復合材料的應用范圍。
3.1 力學性能
石墨烯能夠顯著改善熱固性樹脂材料的機械性能，使復合材料在機械和汽車結構件等領域中具有重要的應用價值。
3.2 抗燒蝕性能
氧化石墨烯的添加會提高復合材料導熱性并加速熱量的導出，使復合材料的線性燒蝕速率降低 62.08%。氧化石墨烯的添加有利于誘導燒蝕過程中基體內炭層的形成，增強基體石墨化程度，并形成隔熱層，阻止熱量向材料內部擴展，從而降低復合材料的線狀燒蝕速率，提高樹脂復合材料的抗燒蝕能力。
3.3 電學性能
石墨烯是由sp2雜化的碳原子構成的二維蜂窩狀晶格結構的碳材料，優異的結構π電子提供了共軛效應，極大的提高了電子的遷移率，同時在理想狀態下，石墨烯的導帶和價帶在狄拉克點相接觸，使電子能在無能量阻礙下，在價帶和導帶之間移動，從而促使石墨烯有著優異的電學性能。
3.4 耐腐蝕性能
熱固性樹脂是涂層材料中常見的基體材料，具有優異的耐腐蝕性能，但固化后的樹脂材料會產生微孔或微隙，對基底的保護能力減弱。石墨烯自身的化學穩定性和阻隔性，既能有效阻止腐蝕劑的滲透，又能在腐蝕劑達到金屬表面時防止其面內進一步的擴散，將保護基底的腐蝕損壞程度降到最低，使其成為金屬基材涂層的優選填料。
4 石墨烯改性熱固性樹脂的應用
目前，石墨烯改性熱固性樹脂主要應用于重防腐涂料方面，噴涂在大型設備（如大型船舶，水面平臺，風力發電機等）上防止腐蝕延長使用壽命；未來，石墨烯改性熱固性樹脂也將更多的應用在航空航天、電子零部件等領域。
成功運用石墨烯重防腐涂料的我國海上風電場風電機組塔筒
參考來源：
經濟日報，給裝備披上石墨烯防腐外衣
劉川海，探析石墨烯的表面改性及其在涂層中的應用
樂祥和等，石墨烯改性熱固性樹脂復合材料研究進展
李偉等，石墨烯改性熱固性樹脂及其纖維復合材料的研究進展
（中國粉體網編輯整理/留白）
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