纳米颗粒的比例显着提高了金属保护漆、涂料、底漆和蜡的有效性。
使用石墨烯纳米片显着提高性能是涂料行业中一个相对较新但发展迅速的应用领域。
虽然石墨烯纳米片 (NNP) 在金属保护产品中的应用相当新颖——仅在最近几年才商业化——但事实证明，它们对底漆、涂料、油漆、蜡甚至润滑剂的性能具有巨大影响。虽然典型的压力控制比例从零点几到百分之几不等，但正确添加 GNP 将成为一种多功能添加剂，可以大大延长涂层的使用寿命和耐久性，提高耐化学性、耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性反抗。;甚至有助于表面轻松去除水和污垢。此外，GNP 通常充当增效剂，帮助其他补充剂在较低浓度下更有效地发挥作用，而不会牺牲有效性。石墨烯纳米片已经在商业上用于金属保护产品，从汽车密封剂、喷雾剂和蜡到汽车制造商、建筑承包商甚至消费者使用的底漆和油漆。据报道，更多应用（例如海洋防污/防腐底漆和油漆）正处于测试的最后阶段，预计将在未来几年内实现商业化。
曼彻斯特大学（英国曼彻斯特）的研究人员于 2004 年率先分离出单层石墨烯，并因此获得 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯纳米片——一种多层形式的石墨烯，可从不同的供应商处获得，具有不同的颗粒厚度和中等大小——是平面/鳞片状纳米尺寸的二维碳形式。与其他纳米粒子一样，GNP 改变和改善聚合物薄膜、塑料/复合材料部件、涂料甚至混凝土等宏观产品性能的能力与它们的微小尺寸完全不成比例。例如，GNP 添加剂平坦、宽而薄的几何形状使其非常适合在不增加涂层厚度的情况下提供有效的表面覆盖。相反，它们在提高涂层性能方面的有效性通常意味着需要更少的涂层或可以应用更薄的涂层。GNP 材料还具有非常高的表面积 (2600 m2/g)。如果分散得当，它们可以显着提高涂层对化学品或气体的阻隔性能，从而提高防腐蚀和防氧化性能。此外，从摩擦学的角度来看，它们具有非常低的表面剪切力，有助于提高耐磨性和滑移系数，有助于赋予涂层更好的耐刮擦性，并排斥污垢、水、微生物、藻类等。考虑到这些性能，很容易理解为什么即使是少量的 GNP 添加剂也能如此有效地改善该行业每天使用的大量产品的性能。
尽管它们与其他纳米粒子一样具有巨大的潜力，但将石墨烯纳米片以一种可供油漆开发商甚至塑料配方设计师使用的形式分离和分散并不容易。事实证明，将较大的纳米颗粒聚集体分层以有效分散（以及在耐贮存产品中分散）以用于塑料、薄膜和涂料中具有挑战性。
商业 GNP 公司通常提供各种形态（单层、多层、各种平均直径，在某些情况下还添加了化学功能）和各种形状因素（干粉和液体 [溶剂基、水基或树脂-基于]分散体用于各种聚合物体系）。商业化最先进的制造商表示，他们与涂料配方设计师密切合作，以最有效的稀释比找到最佳的性能组合，以提高涂料质量，同时不会对其他关键性能产生负面影响。以下是一些可以讨论他们在金属保护涂层领域的工作的公司。
汽车护理产品是石墨烯在涂料行业中最早也是最重要的应用之一。照片：Surf Protection Solutions LLC
石墨烯金属保护产品的首批商业应用之一是汽车装饰。无论是用于液体、气雾剂还是蜡配方，这些高性能汽车护理产品都可以直接应用于汽车油漆或铬，提高光泽度和图像深度 (DOI)，使汽车更容易清洁，并保持清洁和增宽性能。防护性能远优于常规产品。GNP 增强型产品，其中一些直接销售给消费者，另一些仅销售给美容院，与富含陶瓷（氧化物）的产品（含有二氧化硅、二氧化钛或两者的混合物）竞争。含有 GNP 的产品具有更高的性能和更高的价格，因为它们提供了陶瓷涂层无法提供的几个重要优势。石墨烯的高导热性可以有效散热——这对引擎盖和车轮中使用的产品来说是一个福音——它的高导电性可以消散静电荷，使灰尘更难粘附。GNP 涂层具有较大的接触角（125 度），流动速度更快、效率更高，从而减少了水斑。出色的研磨和阻隔性能更好地保护油漆免受划痕、紫外线、化学品、氧化和翘曲的影响。高透明度使基于 GNP 的产品能够保持该领域非常受欢迎的光泽、反光外观。
位于威斯康星州格拉夫顿的 Surface Protective Solutions LLC (SPS) 是一家在该细分市场中拥有稳固立足点的配方制造商，它销售一种耐用的溶剂型石墨烯涂料，可以使用多年，并销售一种石墨烯增强型水性涂料。持续数月的快速补妆精华。这两种产品目前仅供经过培训和许可的美容师使用，但计划在不久的将来直接向消费者提供化妆品和其他善后产品。目标应用包括汽车、卡车和摩托车，据称其他产品即将商业化用于家庭和船只。（SPS 还提供一种锑/氧化锡产品，可为表面提供紫外线防护。）
“传统的巴西棕榈蜡和密封剂可以在数周到数月内保护涂漆表面，”SPS 总裁 Brett Welsien 解释道。“2000 年代中期推向市场的陶瓷涂料与基材形成更牢固的结合，并提供多年的抗紫外线和耐化学性、自清洁表面、更高的耐热性和更高的保光性。然而，它们的弱点是水渍。我们自己的测试表明表面油漆和表面污迹是由传热不良引起的 快进到 2015 年，当时开始研究石墨烯作为添加剂 2018 年，我们是美国第一家正式推出石墨烯涂料添加剂的公司在基于 GNP 开发公司产品的过程中，研究人员发现水渍和表面污渍（由于接触鸟粪、树液、昆虫和刺激性化学品）平均减少了 50%，并且由于到较低的摩擦系数。
Applied Graphene Materials plc（AGM，Redcar，英国）是一家为许多开发汽车护理产品的客户提供 GNP 分散体的公司。这家拥有 11 年历史的石墨烯制造商将自己描述为在涂料、复合材料和功能材料中开发和应用 GNP 分散体的世界领导者。事实上，AGM 报告称，油漆和涂料行业目前占其业务的 80%，可能是因为其技术团队的许多成员来自油漆和涂料行业，这有助于 AGM 了解这两个编译器的痛点，并最终，用户。.
Halo Autocare Ltd.（英国斯托克波特）在两种 EZ 汽车护理蜡产品中使用 AGM 的 Genable GNP 分散体。2020 年发布的车身面板用石墨烯蜡将 T1 巴西棕榈蜡、蜂蜡和果仁油与聚合物、润湿剂和 GNP 相结合，以改变表面水行为并提供长期保护、出色的水珠和水膜、低积垢、易于清洁，消除鸟粪并大大减少水渍。石墨烯合金轮蜡具有所有这些优点，但专为更高的温度、增加的车轮磨损和排气管嘴而设计。GNP 被添加到高温微晶蜡、合成油、聚合物和可固化树脂体系的基础中。Halo 表示，根据使用情况，该产品可以保护车轮 4-6 个月。
James Briggs Ltd.（Salmon Fields，英国）自称是欧洲最大的日用化学品公司之一，是另一家使用 GNP 分散体开发其 Hycote 石墨烯防腐底漆的 AGM 客户。无锌快干气雾剂对金属和塑料具有出色的附着力，被车身修理厂和消费者等人用来阻止或防止金属表面腐蚀，并为这些表面上漆和涂层做准备。根据 ASTM G-85 附录 5，该底漆可提供超过 1750 小时的防腐蚀保护，以及出色的阻隔性能和柔韧性，在锥体测试 (ASTM D-522) 中不会开裂。底漆寿命。AGM 表示，它在配方开发过程中与客户密切合作，以最大限度地提高增值性能，同时限制对产品成本的影响。
市场上增加国民生产总值的汽车护理产品的数量和种类都在快速增长。事实上，石墨烯的存在被吹捧为一项主要的性能优势，并在产品图表中突出显示。|James Briggs Ltd.（左）、Halo Autocare Ltd.（右上）和 Surface Protective Solutions LLCSurface Protective Solutions LLC（右下）
防腐涂料是 GNP 不断增长的应用领域，纳米粒子可以显着延长维护间隔、减少腐蚀损害、延长保修保护并降低资产管理成本。|好时涂料有限公司
GNP 越来越多地用于恶劣 (C3-C5) 环境中的防腐涂料和底漆。AGM 首席执行官阿德里安·波茨 (Adrian Potts) 解释说：“如果将石墨烯适当地加入到溶剂型或水性涂料中，它可以赋予优异的防腐性能并改善腐蚀控制。”通过延长资产的使用寿命、减少资产维护的频率和成本，以及不再需要或使用水基产品或含有更多有毒添加剂（如锌）的产品来产生影响。未来五年的重点和机会领域。“腐蚀是个大问题，生锈不是一个令人愉快的话题，因为它代表着客户资产的恶化，这是一个严重的问题，”他补充道。
总部位于英国华盛顿的 Halfords Ltd. 是一家成功推出气溶胶喷雾底漆的 AGM 客户，该公司是英国和爱尔兰领先的汽车零部件、工具、露营设备和自行车零售商。公司石墨烯防腐底漆不含锌，更加环保。据说它对低碳钢、铝和 Zintec 等金属表面具有出色的附着力，可填补小的表面缺陷，并在 3-4 分钟内干燥，仅需 20 分钟即可获得可打磨的哑光效果。它还通过了 1,750 小时的盐雾和锥体测试而没有破裂。根据 Halfords 的说法，该底漆具有出色的抗流挂性，允许更大的涂层深度，并提供出色的阻隔性能，可显着延长涂层的使用寿命。此外，该底漆与最新一代水性涂料具有出色的相容性。
来自英国斯特劳德的 Alltimes Coatings Ltd. 是金属屋顶防腐专家，在其用于工业和商业建筑的 Advantage Graphene 液态屋顶系统中使用 AGM 分散体。该产品增加了屋顶的最小重量，具有耐候性和抗紫外线性，不含溶剂、挥发性有机化合物 (VOC) 和异氰酸酯。仅在经过适当处理的表面上涂一层，该系统具有耐冲击性和高弹性，优异的延伸性和固化后不收缩。它可以在 3-60°C/37-140°F 的温度范围内施工并重复施工。石墨烯的加入显着提高了耐腐蚀性，产品通过了10000小时中性盐雾测试（ISO9227:2017），将Autotech的质保寿命从20年延长至30年。尽管对水、氧气和盐形成了高效的屏障，但微孔涂层仍具有透气性。为了促进建筑学科的发展，Alltimes 开发了系统的持续专业发展 (CPD) 课程。
来自英国利奇菲尔德的 Blocksil Ltd. 自称是一家屡获殊荣的涂料公司，为汽车、铁路、建筑、能源、海洋和航空航天行业的客户提供先进的节能和省力解决方案。Blocksil 与 AGM 密切合作，开发了新一代 MT 防腐涂层，该涂层具有石墨烯增强顶层，适用于露天和腐蚀性环境中的结构钢。有多种颜色可供选择，不含 VOC 和溶剂的单涂层系统具有极强的防潮性，并且已经过 11,800 小时的中性盐雾测试，比以前的产品耐用 50%。相比之下，Blocksil 表示，未增塑的聚氯乙烯 (UPVC) 在该测试中通常持续 500 小时，而环氧树脂涂料持续 250-300 小时。该公司还表示，这种涂料可以涂在微湿的钢材上，并在涂上后不久防止水渗入。被描述为具有表面抗性，只要去除松散的碎屑就会生锈，并且无需外部加热即可固化，因此可以在野外使用。该涂料应用范围广，从0到60°C/32-140°F，并通过了严格的防火测试（BS476-3:2004、CEN/TS1187:2012-Test 4（包括EN13501-5:2016-test 4 ). 4)) 耐涂鸦，具有优异的抗紫外线和耐候性。据报道，该涂层已用于 RTÉ（爱尔兰都柏林 Raidió Teilifís Éireann）的发射桅杆和 Avanti Communications Group plc（伦敦）的通信卫星以及分段和平行柱（SSP）铁路轨道，在那里它通过了 EN45545 -2:2013，R7 至 HL3。
另一家使用 GNP 增强涂层保护金属的公司是全球汽车供应商 Martinrea International Inc.（多伦多），该公司使用石墨烯增强聚酰胺（PA，也称为尼龙）涂层乘用车。（由于其良好的热塑性性能，蒙特利尔供应商 GNP NanoXplore Inc. 为 Martinrea 提供了全复合 GNP/PA 涂层。）据报道，该产品重量减轻了 25%，并提供了卓越的磨损保护、增强的卓越强度和改进的化学性能保护。电阻不需要对现有的生产设备或工艺进行任何改变。Martinrea 指出，涂层性能的改进可以将其应用扩展到更广泛的汽车部件，尤其是电动汽车。
随着无数长期试验的完成，海洋防腐防污很可能成为GNP的重要应用领域。石墨烯添加剂 Talga Group Ltd. 目前正在两艘大型船舶上进行真实海洋条件下的测试。其中一艘船刚刚完成为期 15 个月的检查，据说涂有 GNP 增强底漆的部分显示出与没有增强的原始样品相当或更好的结果，后者已经显示出腐蚀迹象。|泰尔加集团有限公司
许多涂料开发商和石墨烯制造商一直致力于为海洋工业开发防腐/防污涂料。鉴于在该领域获得批准需要广泛和长期的测试，我们采访的大多数公司表示他们的产品仍处于测试和评估阶段，保密协议 (NDA) 阻止他们讨论他们在该领域的工作场地。每个人都表示，迄今为止进行的测试表明，将 GNP 纳入海洋路面具有显着的好处。
一家无法详细说明其工作的公司是总部位于新加坡的 2D Materials Pte。Ltd.，该公司于 2017 年开始在实验室规模生产 GNP，去年开始实现商业规模生产。其石墨烯产品专为涂料行业设计，该公司表示自2019年以来一直与两家最大的海洋防腐涂料供应商合作，为该行业开发油漆和涂料。2D Materials 还表示，它正在与一家大型钢铁公司合作，将石墨烯加入到用于在运输和储存过程中保护钢铁的油中。二维材料应用专家Chwang Chie Fu表示，“石墨烯对功能涂层的影响最大。”“例如，对于海洋工业中的防腐涂料，锌是主要成分之一。石墨烯可用于减少或替代这些涂层中的锌。添加不到 2% 的石墨烯可以显着延长这些涂层的使用寿命，这意味着这使其成为一个非常有吸引力的价值主张，让人难以拒绝。”
Talga Group Ltd.（澳大利亚珀斯）是一家成立于 2010 年的电池阳极和石墨烯公司，今年早些时候宣布其用于底漆的 Talcoat 石墨烯添加剂在现实世界的海洋测试中显示出积极的结果。该添加剂专门配制用于海洋涂料，以提高耐腐蚀性，减少水生生态系统中的油漆损失，并通过增加干船坞间隔来提高性能。值得注意的是，这种可干分散的添加剂可以原位加入涂料中，这代表了 GNP 产品的重大商业发展，这些产品通常以液体分散体形式提供，以确保良好的混合。
2019 年，该添加剂与一家领先涂料供应商的双组分环氧底漆预混合，并应用于一艘 700 平方米/7535 平方英尺的大型集装箱船的船体，作为海上试验的一部分，以评估涂料在恶劣海洋环境中的性能。（为了提供真实的基线，在其他地方使用了传统的标记底漆来区分每种产品。然后对两种底漆进行了面漆处理。）当时，该应用被认为是世界上最大的石墨烯应用。该船接受了为期 15 个月的检查，据报道涂有 GNP 增强底漆的部分的性能与没有增强的基线相当或更好，后者已经显示出腐蚀迹象。第二项测试涉及让涂料施工人员在现场将粉末状 GNP 添加剂与另一家领先涂料供应商提供的另一种双组分环氧涂料混合，并将其喷涂到大型容器的很大一部分上。两起诉讼仍在进行中。塔尔加指出，与大流行病相关的旅行限制继续影响国际旅行，推迟了有关第二艘船的报道如何运作的消息。受这些结果的鼓舞，据说 Talga 正在开发防污海洋涂料、金属和塑料抗菌涂料、大型金属部件的防腐涂料以及塑料包装的阻隔涂料。
先进材料研究实验室 Toray Industries, Inc.（东京）于 3 月宣布的 GNP 开发项目吸引了涂料配方开发商的兴趣，其中包括创造一种超细分散石墨烯溶液，据称该溶液具有出色的流动性。高导电性与高导电性和导热性相结合。开发的关键是使用一种独特的（未命名的）聚合物，据说这种聚合物通过抑制石墨烯纳米片的聚集来控制粘度，从而解决了长期存在的产生高浓度 GNP 分散体的问题。
与传统的 GNP 分散体相比，东丽的新型高流动性产品含有一种独特的聚合物，可通过防止石墨烯纳米颗粒聚集来控制粘度，可生产出高度浓缩的超细 GNP 分散体，具有高导热性和导电性以及更高的流动性，易于处理和混合。|多瑞工业株式会社
“较薄的石墨烯往往更容易聚集，这会降低流动性并使分散混合产品更难应用，”东丽研究员 Eiichiro Tamaki 解释道。“为避免粘附问题，纳米板通常在低浓度溶液中稀释。然而，这使得难以达到足够的浓度以充分利用石墨烯。”超细 GNP 分散体和更高的流动性，便于处理和混合。据说最初的应用包括电池、用于印刷的电子电路和防止水和氧气渗透的防腐涂层。该公司研究和制造石墨烯已有 10 年，并声称已开发出分散技术，使石墨烯更实惠。研究人员认为，这种独特的聚合物会影响纳米片本身和分散介质，Tamaki 指出，并表示它特别适用于高极性溶剂。
鉴于 GNP 提供的所有潜在好处，已经向企业和学术界颁发了超过 2,300 项与 GNP 相关的专利也就不足为奇了。专家预测这项技术将出现显着增长，称它将影响超过 45 个行业，包括油漆和涂料。消除了阻碍增长的几个重要因素。首先，随着监管审批（例如欧盟的 REACH（化学品注册、评估、授权和限制）系统）的放宽，环境、健康和安全 (EHS) 问题可能成为新纳米颗粒的一个问题。此外，许多供应商对 GNP 增强材料进行了广泛测试，以更好地了解喷涂时会发生什么。石墨烯制造商很快指出，由于 GNP 是由天然矿物石墨制成的，因此他们的工艺本质上比许多其他添加剂更环保。第二个挑战是以负担得起的价格获得足够的产品，但随着制造商扩大其生产系统，这一问题也正在得到解决。
NanoXplore 技术项目 Lead Carbon Technologies 的 Tarek Jalloul 解释说：“将石墨烯引入该行业的主要障碍是石墨烯制造商的生产能力，以及该产品的历史高成本。”“这两个障碍正在被克服，随着功率和价格差距的缩小，石墨烯增强产品正在进入商业阶段。例如，我自己的公司成立于 2011 年，现在每年可以生产 4,000 吨/吨，根据 IDTechEx Research（波士顿），我们是世界上最大的石墨烯制造商。我们的新制造设施是完全自动化的，具有模块化结构，如果需要扩展，可以轻松复制。石墨烯工业应用的另一个主要障碍是缺乏监管批准，但这正在发生。”
“石墨烯提供的特性可能会对油漆和涂料行业产生重大影响，”Velzin 补充道。“虽然石墨烯的每克成本高于其他添加剂，但它的使用量如此之小，并提供如此积极的好处，以至于长期成本是可以承受的。开发石墨烯？涂层？？
“这东西很管用，我们可以证明它真的很好，”Potts 补充道。“在配方中添加石墨烯，即使是非常少量的，也可以提供转化特性。”
Peggy Malnati is a regular contributor to PF’s sister publications CompositesWorld and MoldMaking Technology magazines and maintains contact with clients through her regional office in Detroit. pmalnati@garpub.com
掩蔽用于大多数金属精加工操作，其中仅需要处理零件表面的某些区域。相反，可以在不需要或应该避免处理的表面上使用掩蔽。本文涵盖了金属饰面掩蔽的许多方面，包括应用、技术和使用的不同类型的掩蔽。
改进的附着力、增强的耐腐蚀性和抗起泡性以及减少涂层与零件的相互作用需要预处理。
发布时间：Nov-28-2022