碳纳米管在功能涂料中的应用与进展

    简彦红 陈炳耀 陈明毅

    摘 要：概述了碳纳米管的结构及性能，介绍了碳納米管材料在几种功能涂料中的应用，并概括出碳纳米管应用于涂料中存在的问题及今后的发展前景展望。

    关键词：碳纳米管;功能涂料;发展方向

    0 前言

    近年来，国内外涂料行业日渐追求纳米技术的应用，致力于提高涂料性能或赋予其特殊功能。目前，纳米材料在涂料中的应用已取得初步成效，在涂料中添加纳米材料可大大提高其粘结性、耐冲击性、柔韧性，改善耐老化性、耐腐蚀性等传统性能，此外，还可以根据需求调节涂料的自洁、抗静电、吸波隐身等功能。碳纳米管具备极高的机械强度、吸附能力及一定的导电能力等特性，将其应用于涂料领域，不仅能够极高涂层传统性能，还将为涂层带来新的功能，因此碳纳米管被认为是一种极具发展潜力的理想型纳米材料。

    1 碳纳米管的结构及性能

    1.1 碳纳米管结构

    碳纳米管中碳原子通过sp2杂化，六角形具有的网格结构有一定的弯曲度，因此形成了空间拓扑结构。当然，sp3杂化键也存在，形成sp2与sp3共存的混合状态。碳纳米管由单层或多层的石墨片绕中心卷曲而形成的纳米管状结构，根据石墨片层数不同分为单壁碳纳米管（SWCNTs）及多壁碳纳米管（MWCNTs）。

    1.2 碳纳米管的性能

    碳纳米管因其独特的分子结构而具备优越的物理、化学性能。如其质量较轻，但强度较高;其sp2、sp3杂化几率不同且有较大的长径比，使得碳纳米管具备优异的弹性;其分子结构的螺旋特性使由碳纳米管制备的吸波材料吸收率远远高于一般的吸收材料;碳纳米管的导电性能、光学性能、热传导性能可媲美金属结构;此外该材料的耐酸、耐碱性及热稳定性亦非常优异。

    2 碳纳米管在涂料中的应用

    2.1 导静电涂料

    导电涂料是一种具有传导电子、排除累积电荷能力的功能性涂料，在航天航空、电子、石油化工等领域备受青睐。在众多导电涂料种类中，常见的导电填料有银粉、镍粉、铜粉等金属性质填料，有碳黑、石墨、碳纤维等碳结构导电填料[1]。其中，碳结构填料中的碳纳米管具有较大的长径比及很好的导电性能，由于其质量轻密度小，用于涂料中不易于沉淀，因而在导电涂料领域获得越来越多的关注。

    2.2 电磁屏蔽复合涂料

    现如今，电子科技的快速发展及通讯设备的普及已经影响到人们生活的方方面面，但随之而来的电磁干扰、电磁辐射正危害人们的健康。目前电磁屏蔽复合涂料是当下研究的热点，其组成成分中导电填料是较关键组分之一[2]。与导电涂料类似，在电磁屏蔽涂料体系中，通过添加一定含量的碳纳米管即可使得涂料呈现出电磁屏蔽特效，使用后能够有效减少电磁干扰。研究发现，通过增加电磁屏蔽涂料中碳纳米管用量，涂料的屏蔽能力可逐渐增强;添加量相同时，碳纳米管管径越小，在形成电网链过程中其相互接触的机率增加，利于形成良好的导电网络，因此涂料的屏蔽效能随碳纳米管管径减小而增强[3]。

    2.3 隐身吸波涂料

    隐身吸波涂料是现代隐身技术的重要突破，在飞行器、雷达等装备领域应用广泛[4]。此类涂料主要由粘结剂与吸收剂组成，粘结剂作为主要成膜物质，吸收剂的电磁参数在很大程度上影响了涂料的吸波性能。目前行业使用的吸收剂主要有导电炭黑、铁氧体、金属性质超细粉末、羰基铁、纳米吸收剂等等，其中碳纳米管作为吸收剂呈现出很好的吸收特性，所制备出的吸波涂料还具备优越的力学性能，是隐身吸波涂料领域的重点研究材料。

    3 碳纳米管功能涂料发展方向

    在功能涂料中碳纳米管作为一种新型材料，对其改性或预处理后已广泛应用于交通、建筑、器械、石油化工等领域，若要将碳纳米管材料的应用领域扩大，还需要对碳纳米管在纯化、修饰、表征、组装等方面进行改善：

    （1）碳纳米管在制备技术上还存在一定缺陷，生产成本过高，而产品纯度较低，严重限制了碳纳米管的推广[5]。因此碳纳米管制备技术上首先需要深入探究其高纯度、高质量的大规模制备方法，其次降低碳纳米管生产成本。

    （2）碳纳米管较大的长径比与比表面积虽然有众多优势，但其粒子之间存在很强的范德华力，容易相互吸附团聚。为了保证涂料正常使用，良好的分散效果是很关键的，因此，探索碳纳米管在涂料中的分散条件是解决此问题的重要途径。

    （3）功能涂料常常应用于环境严苛的户外，因此碳纳米管与成膜基体的界面粘合力需要进一步改善，采取修饰改性等措施增强两相界面间的粘合力，保证涂料的使用寿命。

    （4）在不同种类功能涂料中，碳纳米管的具体应用并不完全清晰，在用量、形状、作用机理等方面探究的较为模糊，今后需要针对不同涂料的作用，探明碳纳米管在各涂料中最优使用条件。

    4 碳纳米管在涂料中的应用前景

    现如今，涂料行业的发展日渐注重产品性能、功能及生态化，碳纳米管的各项物理化学性能不仅满足涂料性能需求，也能满足环保要求，是一种理想的无污染环保材料。目前我国纳米复合涂料领域还未成熟，处于快速发展阶段。我们要做的就是不断研究，保证纳米复合涂料得到持续发展，实现产业化，使我国涂料工业进入新阶段。

    参考文献：

    [1]钟庆东，杭建忠，张文涛，施利毅，袁理，郦希.导电涂料研究进展[J].上海电力学院学报，2005（02）：143-148+160.

    [2]王娴.碳纳米管导电涂料的导电机理及影响因素[J].上海涂料，2012，50（09）：40-43.

    [3]林海丹，列剑平，孙宝民.碳纳米管功能涂料的研究进展与展望[J].化工新型材料，2018，46（05）：28-31.

    [4]刘顾，汪刘应，程建良，王炜，吴永发.碳纳米管吸波材料研究进展[J].材料工程，2015，43（01）：104-112.

    [5]赵冬梅，李振伟，刘领弟，张艳红，任德财，李坚.石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及应用进展[J].化学学报，2014，72（02）：185-200.

    作者简介：简彦红（1993-），女，河南淮滨人，本科，助理工程师，从事水性建筑涂料方面的研发工作。