石墨烯作为乳胶漆的化学添加剂

导言–目标和背景

石墨烯具有独特的电学、机械和热学特性，可以显著改善各种技术应用，包括油漆和涂料行业。虽然石墨烯在工业涂料中作为缓蚀剂的应用已得到充分证实，但其在建筑和装饰涂料（尤其是水性乳胶树脂涂料）中的应用仍然有限。

Gerdau 公司最近进行的实验室研究表明，石墨烯在粘弹性和防潮性方面具有良好的效果。.石墨烯乳胶薄膜显示出较低的水蒸气透过率、较高的表面疏水性、较低的孔隙率和改良的机械性能，以更好地抵抗磨损应力。这些特性对于提高乳胶漆的使用寿命和性能至关重要。 为此，我们计划进行两次实地测试，以证实实验室的初步观察结果。

背景：石墨烯水性分散体石墨烯水性分散体

Gerdau Graphene公司生产的水性石墨烯分散体可与乳胶漆相容。研究发现，Gerdau Graphene 生产的石墨烯分散体在与水性乳胶漆结合时具有很高的稳定性和有效性。这些分散体通常具有较高的固体含量（10 wt.%），并表现出优异的长期稳定性。表征工作包括扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱，以分析结晶缺陷和层间数量。扫描电子显微镜图像显示，石墨烯片的横向尺寸约为 4 微米，表明其处于良好的分散状态（图 1）。拉曼光谱进一步证实了石墨烯的质量，凸显了其低缺陷水平和高结晶度（图 2）。相互耦合的石墨烯层数低于 10 层（图 8），这种材料可视为真正的少层石墨烯（图 3）。

图 1 – 水性石墨烯分散液的 SEM 图像。

图 2 – 水性石墨烯分散体的拉曼中值光谱

图 3 – 互耦层数量分布

实验 1：巴西 Pindamonhangaba 的地板乳胶漆（2022 年）

涂料制备：使用符合巴西标准的普通地坪乳胶无光漆商用配方。这种涂料是在试验性规模（1000 升）上生产的，含 0.05 重量 % 的石墨烯，不含 0.05 重量 % 的石墨烯。制备完成后，涂料被储存在室温下进行特性和性能测试，包括 pH 值、粘度、60ºC 下的稳定性、现场测试和耐磨性。

实地测试：如图 4 所示，在 Gerdau Pindamonhangaba 涂刷了两条自行车道。在这两个地方，喷涂前都用高压水枪彻底清洁了沥青表面。必须强调的是，这两个地方之前都没有任何涂层。干燥后，用油漆滚筒涂上 2 至 3 层乳胶漆。在涂刷第一层时，乳胶漆会额外加 30% 的水稀释，而在涂刷随后的几层时，稀释比例仅为 10%。每天只涂刷一层，让涂料过夜固化。表 1 详细列出了每个地点的施工条件。每月进行一次目视检查，以评估每次涂漆的磨损率。

图 4 – 格尔道平达蒙汉加巴工厂的喷漆位置

表 1 – 涂料应用位置特征

结果使用石墨烯生产的地坪乳胶漆在实验室和现场都进行了测试。如图 5 所示，实验室测试表明，与不含石墨烯的涂料相比，其耐磨性没有明显差异。然而，在 Gerdau Pindamonhangaba 工厂进行的现场测试表明，石墨烯增强型涂料在实际条件下表现出更好的耐久性，尤其是在雨季。与未使用石墨烯的油漆相比，使用石墨烯的油漆着色更均匀，磨损更少，这表明石墨烯可能有助于减少油漆消耗并提高耐久性，如图 6 所示。

图 5 – ABNT NBR 14940 标准测量的参照物与石墨烯涂料的比较

图 6 – 7 个月老化（A1 – 0.05% 石墨烯）与 6 个月老化（A2 – 参考）对比

实验 2：巴西 Mogi das Cruzes 的地坪乳胶漆（2023 年）

涂料制备：以工业规模生产 5000 升含 0.05 重量%石墨烯和不含 0.05 重量%石墨烯的地坪乳胶漆。除了对颜料进行必要的调整以避免颜色差异外，使用了相同的原材料。

实地测试：在 Mogi das Cruzes 的实地测试中，涂料被用于创建自行车道。 喷涂前，先用高压水枪彻底清洁混凝土表面。必须强调的是，该地点之前没有任何涂层。干燥后，用油漆滚筒涂上 3 层乳胶漆。在涂刷第一层时，乳胶漆会额外加 30% 的水稀释，而在涂刷随后的几层时，稀释比例仅为 10%。每天只涂刷一层，让涂料过夜固化。如图 7 所示，含石墨烯的涂料和不含石墨烯的参考涂料每间隔 1 到 2 米交替涂刷，以确保外部侵蚀性条件对两种涂料的演变产生相同的影响。每月进行一次目视检查，以评估每种涂料的磨损率。

图 7 – Gerdau Mogi das Cruzes 工厂的涂料应用位置。REF：不含石墨烯的参考涂料 | G2D：含 0.05% 石墨烯的涂料

结果：受湿度和机械应力等环境条件的影响，不同区域出现了不同程度的磨损。在高湿度区域，石墨烯和非石墨烯涂料的磨损程度相似，这可能是由于附着力问题。在受保护的区域，两种类型的磨损都很小。如图 8 所示，在暴露于中度应力的区域，石墨烯增强型涂料的性能明显更好，随着时间的推移，其颜色保持不变，磨损也更少。石墨烯对耐久性的积极影响显而易见。

图 8 – 含有 0.05% 石墨烯（上）和不含石墨烯（下）的两个区域的典型值的时序变化

实验 3：加入石墨烯的高聚氯乙烯墙面漆

涂料的制备：我们提供了一种标准的高聚氯乙烯乳胶亚光漆商用配方。在小规模（1 升）上生产了含 0.01% 石墨烯和不含 0.01% 石墨烯的涂料。性能测试的重点是根据 ABNT NBR 15078（不含研磨膏）进行的耐磨性测试。

结果：如图 9 所示，0.01% 的石墨烯可显著提高耐磨性），这表明石墨烯可替代硅酸钠等水洗促进剂，而不会影响 pH 值。

图 9 – 根据 ABNT NBR 15078 标准测量的参照物与石墨烯涂料的比较

结论

石墨烯已显示出作为乳胶漆性能增强添加剂的前景，特别是在提高耐久性和耐磨性方面（无需研磨膏）。未来的项目（NanoDUR 第 2 代）将重点开发石墨烯基添加剂，通过共价石墨烯功能化等新技术，在使用研磨膏的情况下提高耐久性和耐磨性。