Page 84 - 《精细化工》2020年第1期

·70· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

大量的羟基和羧基，它与环氧树脂中的环氧基团等 在石墨烯复合涂层的制备过程中，当石墨粉的
极性基团反应，促进了改性石墨烯和环氧树脂的结 质量分数达到 9%时，已经超出石墨粉在环氧树脂中
合，减小了分子链断裂的可能性，从而有效防止石 的溶解度，制备出的涂层溶液底部沉淀有未溶解的
墨烯复合涂层表面形成明显的裂纹与孔隙，使复合 石墨粉。在达到石墨粉在环氧树脂中的溶解度后，
涂层的耐腐蚀性能大幅提升。 继续添加石墨粉无法使制备的涂层中石墨粉含量上
2.2 导热性能分析 升，所以仅仅通过添加石墨粉，涂层的导热系数不
表 3 为测试所得相关试样的导热系数。 会无限增加，针对这一问题，仍需进一步研究提高
石墨烯复合涂层导热性能的方法。
表 3 导热系数表
Table 3 Data of thermal conductivity 对于固体材料，内部的微观粒子通过振动或相
互碰撞完成热能的传递。这些担负热能传递的粒子称
试样 导热系数/〔W/(m·K)〕
304 不锈钢 15.234 为载流子，载流子主要包括电子、光子和声子 [15-16] 。
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1 0.197 在这 3 种载流子中，电子的传热能力最强。金属材
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5 2.599 料内部存在大量可以自由移动的电子，一般都具有
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6 4.150
7 8.225 较强的导热性能。常见的导电性较差的固体材料中
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8 9.169 自由电子含量较少，热能的传递主要靠载流子的振
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9 11.853 动来完成。晶格结构完整但导电性较差的材料，主
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10 18.258
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11 18.442 要通过晶格结构的振动来完成热能传递，此时的载
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12 35.848 流子称为声子。

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表 3 中 1 试样为未添加其他材料的环氧树脂涂 环氧树脂是由大分子组成的聚合物，内部不存
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层，5 ~12 试样为石墨烯复合涂层，石墨粉质量分 在能够自由移动的电子；同时，由于分子链杂乱无
序，无法形成完整的晶格结构，也不具备通过声子
数由 1%增加到 8%，各试样的具体配方见表 1。由
传递热量的条件。因为缺少电子和声子等载流子，
表 3 可知，石墨烯复合涂层的导热系数可以达到普
所以环氧树脂的热阻大，导热系数低。
通 304 不锈钢的 2.35 倍。传统陶瓷涂层的导热系数
2
碳原子经过 sp 杂化形成 σ 键，组成石墨烯的
一般低于 2 W/(m·K)，石墨烯复合涂层的导热系数
基本结构，赋予石墨烯完整的晶体结构。单层石墨
远远高于传统陶瓷涂层。
烯的导热系数可达 5300 W/(m·K) [17] ，同时石墨烯的网
石墨烯复合涂层的导热系数测试结果显示，石
2
状结构使其具有很大的比表面积，可达 2360 m /g [18] ，
墨粉是影响石墨烯复合涂层导热性能的主要因素，涂
巨大的比表面积使得在复合涂层中少量的石墨烯就
层的导热系数与其中添加的石墨粉的质量分数有关。
能形成很好的导热网格，从而提升涂层的导热系数。
图 5 为涂层导热系数与石墨粉质量分数的关系
文献[12]在环氧树脂中添加石墨烯，使得涂层的导
图。其中，每个涂层的石墨烯质量分数均为 0.01%。
热系数从 0.99 W/(m·K)提升到 2.6 W/(m·K)。但是当
石墨烯较多时，由于范德华力的作用，二维的片状
石墨烯会凝聚成块，形成杂乱无章的结构，导致比
表面积大幅下降 [19-20] ，从而导热系数显著降低，因
此，仅添加石墨烯不足以大幅提高涂层的导热系数，
还需要添加其他材料。
石墨粉是由二维石墨烯分子整齐地层层堆叠而
成，导电性优异 [21] 且具有完整的晶格结构，能有效
传导热量。同时，石墨粉化学性质稳定，本文采用
的微米级粒径石墨粉也不易受范德华力影响凝聚成

图 5 石墨粉质量分数对涂层导热系数的影响 块，而是通过超声分散均匀地分布在环氧树脂中。
Fig. 5 Effect of mass fraction of graphite powder on the 在环氧树脂中添加石墨粉和石墨烯制备出的石墨烯
thermal conductivity of coating 复合涂层，热能的传递会同时沿着碳材料和环氧树

由图 5 可知，石墨烯复合涂层的导热系数，随 脂分子进行。当热能沿着碳材料传递时，碳材料完
着石墨粉质量分数的增加而增加；当石墨粉的质量 整的晶格结构使得热能传递时的阻力较小，所以添
分数由 0 增加到 8%时，导热系数也由 0.197 W/(m·K) 加石墨粉等碳材料后能显著提升涂层的导热系数。
增大至 35.848 W/(m·K)，达最大值。 随着石墨粉质量分数的逐渐增加，涂层中由碳材料