Kể từ lần đầu tiên được chế tạo năm 2004 thông qua phân tách cơ học lớp graphite, graphene đã thu hút được sự chú ý đáng kể do sự kết hợp độc đáo của các tính chất điện tử, quang học và cơ học phi thường. Các tấm graphene là hai lớp nguyên tử cacbon liên kết sp2 với một nguyên tử, kết nối bằng một mẫu hình lục giác, hình tổ ong. Ngoài các ứng dụng tiềm năng trong pin và transistor tiên tiến, pin mặt trời, màn hình, cảm biến và vật liệu composite, còn có rất nhiều sự quan tâm đến ứng dụng của graphene như một vật liệu phủ hoặc như một chất phụ gia để cải thiện hiệu năng của các công nghệ sơn phủ khác nhau. Đặc biệt, đã có một số phương pháp tiếp cận để phát triển các lớp phủ chống ăn mòn dựa trên graphene. Tính kỵ nước, khả năng dẫn điện của graphene cũng là những tính chất tiềm năng cho các lớp phủ chuyên dụng. Một số nghiên cứu gần đây về lớp phủ graphene đang được tập trung phát triển.
Thị trường tiềm năng
Lớp phủ graphene có tính kị nước, dẫn điện, và trơ về mặt hóa học, và do đó nó có tiềm năng thị trường khổng lồ, dẫn lời của Elcora Resources Corporation, một công ty sở hữu hầm mỏ Graphite Ragadera ở Sri Lanka đang nghiên cứu để tăng sản lượng graphite và xác định quy trình thích hợp cho sản xuất graphene thương mại. Công ty dự đoán rằng lớp phủ graphene kị nước sẽ được ứng dụng vào những sản phẩm đòi hỏi phải có bề mặt chống thấm nước như thân tàu, nồi chảo, mặt kính (gương, cửa sổ, kính chắn gió) và hàng dệt. Còn lớp phủ graphene dẫn điện, theo Elcora, sẽ sử dụng trong điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính, màn hình tivi và các màn hình hiển thị khác. Lớp phủ Graphene cũng có thể phục vụ như lớp phủ bảo vệ với chất hóa học, độ ẩm, ăn mòn, tia cực tím và khả năng chịu lửa cao. Trên các thiết bị y tế, các lớp phủ này sẽ cung cấp một bề mặt tương thích sinh học có khả năng chống suy thoái. Trên thực tế, các ứng dụng tiềm năng cho lớp phủ graphene trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, từ hàng không vũ trụ đến các dịch vụ cá nhân. Một số ví dụ cụ thể bao gồm: pin mặt trời hiệu quả và linh hoạt hơn, thiết bị nano-điện tử, siêu tụ, cảm biến khí nhạy cao, phân tách phân tử và cấy ghép y khoa.
Với rất nhiều cơ hội trong lĩnh vực sơn, tuy nhiên tại sao nhiều sản phẩm của graphene vẫn chưa được thương mại hóa. Câu trả lời rất đơn giản – các phương pháp sản xuất thực tiễn, hiệu quả về chi phí để sản xuất graphene theo quy mô công nghiệp chưa được phát triển. Hiện tại, graphene được sản xuất với số lượng rất nhỏ với giá rất cao (từ 50 đến 10.000 đô la Mỹ một gram, theo Elcora). Tuy nhiên, công ty dự đoán rằng những tiến bộ đáng kể trong công nghệ sản xuất đang được thực hiện do sự dịch chuyển từ trọng tâm nghiên cứu sang phát triển ứng dụng công nghiệp. Dự kiến rằng các quy trình cho phép sản xuất 100 kg graphene / năm sẽ được thực hiện trong vòng 12 tháng tới. Nếu qui trình này thành công thì việc thương mại hóa các lớp phủ dựa trên graphene có thể được thực hiện trong 18-24 tháng. Elcora hy vọng sẽ thấy được sản phẩm trên thị trường vào cuối năm 2017 hoặc đầu năm 2018. Sau 5-10 năm tới, sự thâm nhập thị trường sẽ đạt được, với giá trị thị trường sơn graphene có thể lên đến 12 tỷ đô la mỗi năm.
Tập trung vào lớp phủ bảo vệ chứa Graphene
Như đã lưu ý, phạm vi nghiên cứu về lớp phủ graphene rất đa dạng và bao gồm một loạt các tính năng và các ứng dụng tiềm năng. Nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung vào sự phát triển của graphene tinh khiết hoặc các lớp phủ polymer / graphene để bảo vệ chống ăn mòn và các phá hủy khác. Một số kết quả gần đây được lưu ý dưới đây.
Lớp bảo vệ chứa Graphene tinh khiết
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Deakin ở Úc đã chế tạo ra các mảnh graphene được hình thành trực tiếp trên các sợi có kích thước micron bằng thép không rỉ austenite, đây là một ví dụ của cấu trúc kim loại xốp được sử dụng trong các ứng dụng như màng lọc, hệ thống tản nhiệt, cấu trúc y sinh học và cảm biến. Mạng lưới ba chiều của graphene nanoflake cung cấp sự bảo vệ chống ăn mòn [1]. Hiệu suất này được cho là do tính kị nước của graphene, giúp cải thiện tính chống thấm và tính chất điện độc đáo của graphene, làm giảm sự xuất hiện các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt. Độ dày lớp phủ graphene được điều chỉnh bằng cách thay đổi nhiệt độ và tốc độ dòng chảy của nguyên liệu trong suốt quá trình lắng đọng. Cả hai lớp phủ đơn giản bao gồm một vài lớp nguyên tử và lớp phủ phức tạp hơn với các mẫu nanô cực dài 2-4 micromet đều được kết hợp và điều tra. Các lớp phủ thứ hai cho thấy các vùng bề mặt cụ thể, tính kị nước, và khả năng chống ăn mòn cao nhất đối với nước biển. Các tác giả tin rằng công nghệ phủ mới có thể được áp dụng cho sự phát triển của bộ trao đổi nhiệt mới, các hệ thống tách lọc, các vật liệu hấp phụ và tương thích sinh học.
Trong khi đó, các nhà khoa học tại Học viện Công nghệ Massachusetts gần đây đã cho ra mắt lớp phủ siêu mỏng, có khả năng mở rộng, đó là lớp phủ graphene tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng pha hơ hóa học (CVD) có tính kháng hóa chất cao hơn các lớp phủ kị nước thông thường và thúc đẩy sự lan truyền hơn là sự ngưng tụ filmwise trên các ống đồng dùng trong các hệ thống truyền nhiệt [2]. Sự truyền nhiệt đã được cải thiện bằng một hệ số bậc bốn so với lớp phủ polyme kị nước đơn lớp truyền thống với hơi nước tinh khiết ở 100 ° C, ngoài ra lớp graphene còn cho thấytính kháng hóa chất và có tính kháng nhiệt thấp hơn đáng kể . Trên thực tế, lớp phủ graphene không có dấu hiệu suy thoái và có thể đo được trong khoảng thời gian hai tuần, trong khi lớp phủ polyme bắt đầu phân huỷ trong vòng ba giờ và hoàn toàn không thành công trong vòng 12 giờ. Các nhà nghiên cứu cũng tính toán rằng, bằng cách sử dụng dữ liệu từ Viện Nghiên cứu Điện lực, sự chuyển đổi nhiệt độ ngưng tụ được cải thiện có thể làm tăng 2-3% hiệu quả của các nhà máy điện, tương đương với việc tiết kiệm một khoản phí lớn cho mỗi nhà máy điện.
Các lớp phủ graphene cũng cho thấy khả năng chống ăn mòn do vi khuẩn cao hơn so với các lớp phủ polyme thông thường. Các nhà nghiên cứu tại Học viện Bách khoa Rensselaer, Trường đại học Mỏ và Công nghệ Nam Dakota, Đại học Bang Oklahoma, và Phòng thí nghiệm Quốc gia Thẩm Dương cho Khoa học Vật liệu đã chứng minh rằng lớp phủ graphene bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị ăn mòn dưới các điều kiện vi sinh vật khắc nghiệt hiệu quả hơn so với parylene-C (PA) Polyurethane (PU) thông thường[3]. Đặc biệt, sự giải phóng niken trong một linh kiện ăn mòn với điện cực Ni tráng graphene là một ví dụ cho thấykhả năng chống ăn mòn kém hơncủa điện cực phủ PA và PU mặc dù lớp phủ graphene đã mỏng hơn khoảng 25 tới 4000 lần với lớp phủ PU và PA thương mại tương ứng. Các kết quả được cho là do sự đề kháng của graphene đối với sự tấn công của vi khuẩn và thực tế lớp phủ graphene có tính chất conformal và khiếm khuyết cao. Bước tiếp theo, các nhà khoa học sẽ khảo sát hiệu suất của lớp graphene trên các kim loại khác và trên các tấm kim loại lớn, phẳng được sử dụng trong ngành xây dựng dưới điều kiện khí quyển khắc nghiệt.
Một trong những thách thức với việc phát triển các lớp phủ graphene thương mại hóa là sự phát triển các phương pháp để chế tạo những lớp màng graphene có diện tích lớn, không có khuyết tật thích hợp cho sử dụng trong công nghiệp. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Manchester đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng lớp graphene oxide laminates và sau đó khử chúng thành graphene bằng hydroiodic và ascorbic acids [4]. Các kết quả xử lý cho thấy sự graphite hóa của laminates gây thiệt hại về cấu trúc ít hơn và kết quả lớp phủ có tính chống thấm cao đối với các chất khí, chất lỏng, và các hóa chất mạnh, bao gồm axit flofluoric.
Đặc tính nổi bật của lớp phủ composite graphene-polymer
Công thức tạo lớp phủ sử dụng các chất vô cơ để thay đổi tính chất của lớp phủ polymer như chất phụ gia nano đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, và bao gồm các lớp đất sét lớp, các ống nano cacbon và các dẫn xuất, các hạt nano hình cầu, thường là silicon dioxide (SiO2). Tuy nhiên, hầu hết các chất vô cơ đều có khả năng tương thích kém với các nhựa polyme hữu cơ, do đó bề mặt của chất bổ sung thường phải được sửa đổi để cải thiện sự tương tác của phụ gia / lớp phủ. Graphene là một chất độn nano có thể cải thiện yếu điểm này bởi vì nó là một vật liệu dựa trên carbon có tính tương tác cao với các polyme hữu cơ. Do đó, graphene nanosheets và nanoplates, grapheneoxit đã được nghiên cứu làm chất độn cho các loại sơn khác nhau.
Applied Graphene Materials (AGM), được tài trợ thông qua việc niêm yết trên thị trường chứng khoán AIM của Anh, đã phát triển công nghệ sản xuất có thể mở rộng cho một loạt các tấm graphene nanoplateletes (A-GNPs), qua quá trình tổng hợp liên tục. Để hỗ trợ tập trung phát triển sự phân tán graphene cho ngành công nghiệp, AGM đã hợp tác với Hiệp hội Nghiên cứu Sơn của Anh để thử nghiệm các lớp phủ polyurethane và epoxy. Kết quả ban đầu cho thấy dựa trên việc thêm một lượng nhỏ của
A-GNP10, đã cho thấy những cải thiện về tính chất cơ học như chống xước, giảm mạnh tỷ lệ truyền hơi ẩm và nâng cao hiệu suất chống ăn mòn. Theo AGM thìtrong thử nghiệm phun muối theo chu kì, thì cần gấp 3 thời gian thí nghiệm mới có thể phá hủy được lớp sơn này.
Các nhà nghiên cứu thuộc trường đại học Christian-Chung-Yuan tại Đài Loan đã phát triển các lớp phủ polyimide với điện cực polyimide (EPI) / graphene thông quaquá trình imidization nhiệt và lớp phủ này cho thấy hiệu quả chống ăn mòn gấp 2 lần so với các điện cực thép cuộn cán nguội (CRS) với lớp phủ EPI thông thường. Hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ EPGN được cho là do khả năng xúc tác oxy hóa của các đơn vị ACAT (amino-capped aniline trimer) có trong EPGN, đã tạo ra các lớp oxit kim loại thụ động trên điện cực CRS. Ngoài ra, với các tấm carboxyl-graphene nanosheets có trong chất nền EPGN làm tăng sự xáo trộn của đường dẫn khuyếch tán cho các phân tử O2, do đó lớp màng này hoạt động như một rào cản khí gây cản trở quá trình vận chuyển oxy.
Graphene hấp dẫn như một chất độn cỡ nano bởi vì nó là một vật liệu dựa trên carbon đã được cải thiện tương tác với các polyme hữu cơ.
Chống ăn mòn là một vấn đề quan trọng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, nơi mà việc giảm trọng lượng là một vấn đề rất quan trọng. Lớp phủ graphene đã thu hút được nhiều sự quan tâm bởi vì chúng có khả năng cung cấp khả năng chống ăn mòn với độ dày một vài nanomet. Các tính chất dẫn điện của graphene là một lợi ích bổ sung trong các ứng dụng này. Chất phụ gia nano graphene cũnglà một lựa chọn hấp dẫn bởi vì chúng có thể cải thiện đáng kể tính chất của lớp phủ khi tải trọng rất thấp. Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Naples Federico II ở Italy đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác epoxy trên nền alumium dùng cho nhôm Al 2024-T3 [6]. Lớp sơn phủ có chứa một lượng nhỏ graphene nanoflakes đã được cải thiện để chống ăn mòn. Hiệu suất thông qua việc tăng cường tính chất rào cản và góc tiếp xúc với nước mà không ảnh hưởng đến quá trình bảo dưỡng hoặc tính bám dính.
Tham khảo:
- Du Mée, L.F., et al., Carbon,87, 395–408 (2015); doi:10.1016/j.carbon.2015.02.042.
- Wang, E.N., et al., Nano Lett.,15 (5), 2902–2909 (2015).
- Krishnamurthy, A., et al., Scientific Reports,5, Article No. 13858 (2015); doi:10.1038/srep13858.
- Nair, R.R., et al, Nature Communications,5, Article No. 4843 (2014); doi:10.1038/ncomms5843.
- Yeh, M., et al.,Polymer Letters,Vol. 8, No. 4, 243–255 (2014).
- Acquesta, A., et al., Aerospace,2, 423-434 (2015); doi:10.3390/aerospace2030423
Source: http://www.paint.org/article/graphene-coatings-exciting-properties-and-wide-ranging-potential/
