《Coatings》：Synergistic Effects of Graphene and SiO2 Nanoadditives on Dirt Pickup Resistance, Hydrophobicity, and Mechanical Properties of Architectural Coatings: A Systematic Review and Meta-Analysis
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本综述通过荟萃分析量化评估了石墨烯基纳米材料（GO、rGO、GNP）与纳米SiO2在建筑涂料中的协同效应。结果表明，二者通过形成Si–O–C共价键和分级粗糙度，显著提升涂层疏水性（WCA↑25–100°）、机械耐久性（耐磨性提高2–5倍）及自清洁性能，为设计高性能环保涂料提供了理论依据。
引言
建筑涂层需兼具美观性与长期防护功能，然而环境暴露易导致表面沾污、失光及机械磨损。近年来，纳米结构杂化填料，特别是氧化石墨烯（GO）与二氧化硅（SiO2）的组合，成为应对这些降解途径的有效策略。研究表明，在环氧树脂、聚氨酯-丙烯酸及溶胶-凝胶体系中，GO与SiO2纳米颗粒的整合可产生超越单一组分的协同增强效果。
材料与方法
本研究遵循PRISMA指南，系统检索了2010–2025年间ScienceDirect、Scopus和Web of Science数据库中相关文献。通过标准化数据提取与随机效应模型（REML）分析，对20项符合纳入标准的研究进行定量合成，重点评估填料类型、添加量及粘结剂体系对涂层性能的影响。
石墨烯与SiO2的独立作用
石墨烯的贡献
石墨烯及其衍生物（GO、rGO、GNP）凭借其二维层状结构和高比表面积，可形成曲折的扩散路径，有效阻隔水分、氧气及腐蚀性离子渗透，显著提升涂层的屏障稳定性。研究表明，仅添加0.3 wt.%的SiO2–GO杂化填料即可使环氧涂层的腐蚀电流密度降低约70%。此外，石墨烯的固有高拉伸强度（约130 GPa）和弹性模量（约1 TPa）使其能够作为应力传递载体，抑制微裂纹扩展，提高涂层硬度和划痕抵抗力。
SiO2纳米颗粒的功能
SiO2纳米颗粒（粒径通常为20–80 nm）通过引入分级表面粗糙度，促进Cassie–Baxter润湿状态的形成，从而增强疏水性。在环氧-钢体系中，添加0.1 wt.%的SiO2–GO可使水接触角（WCA）从58°升至88%。同时，SiO2的高硬度（莫氏硬度约7）和化学稳定性贡献于耐磨性提升，例如在Al6061-T5基底的环氧涂层中，0.5 wt.%的SiO2+GO使Taber耐磨循环次数达4400次。
协同机制与性能增强
界面相互作用
GO与SiO2的协同效应源于其界面化学键合与结构互补。通过硅烷偶联剂（如APTES、TEOS）功能化，SiO2颗粒可共价锚定于GO片层上，形成Si–O–C或Si–O–Si网络，有效防止填料团聚并增强与聚合物基体的界面结合力。这种杂化结构不仅优化了应力分布，还通过构建分级微纳粗糙度稳定超疏水状态。
性能关联性
疏水性、机械耐久性与抗沾污性之间存在显著正相关。例如，在丙烯酸溶胶-凝胶涂层中，SiO2–GO杂化体系实现WCA约162°的超疏水表面，并在1000次磨损循环后仍保持自清洁功能。电化学阻抗谱（EIS）显示，协同作用使涂层阻抗提升10倍，腐蚀防护性能大幅增强。
粘结剂体系的影响
涂层性能的增益程度高度依赖于粘结剂化学特性：
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环氧体系：凭借强共价交联能力，展现最显著的机械与屏障性能提升（如耐磨性提高3–5倍）。
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丙烯酸/溶胶-凝胶体系：易于实现超疏水状态（WCA ≥150°）和光学透明度，但机械耐久性相对较低。
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硅酮/凝胶涂层体系：在紫外耐久性和柔韧性方面表现优异，适用于户外装饰面板。
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水泥基体系：主要通过微观结构致密化提升机械强度，疏水性改善有限。
实际应用与可持续性
石墨烯–SiO2杂化涂层在建筑外墙、金属防护及基础设施领域展现出应用潜力。其低添加量（0.1–0.5 wt.%）即可实现功能性突破，减少维护频率与资源消耗。例如，在污水处理设施中，GO–SiO2涂层在苛刻环境下仍保持长期防护效能。未来研究方向包括开发光催化自清洁涂层、紫外屏蔽功能体系及标准化耐久性测试方法，以推动其产业化进程。
结论
石墨烯与SiO2纳米填料的协同作用通过化学键合、拓扑结构优化及界面强化等多重机制，显著提升建筑涂层的疏水性、机械强度和抗环境老化能力。未来需聚焦于多功能一体化设计、规模化制备工艺及长期服役性能验证，以促进该类高性能涂层在绿色建筑中的广泛应用。
