王振廷介紹石墨烯紡織滌綸絲。
黑龍江日報4月23日訊 一幅壁畫，接上電源，瞬間升溫到110余度，成為供暖設備，所耗電量僅是傳統(tǒng)電暖器的三分之一；在機器嗡鳴中，一粒粒黑色母粒正被紡成一軸軸灰線，此線不但兼?zhèn)淦胀ň€的性能還具有抑菌、抗菌和防靜電等特效。這兩款產(chǎn)品性能的神奇之處，是因為他們的主要材料里都加入了石墨烯。而將性能被譽為新材料之王的石墨烯成功“紡”進線里“印”進畫里的，是黑龍江科技大學材料科學與工程學院院長王振廷和他的團隊。經(jīng)過8年攻關，目前，王振廷團隊已研制出石墨烯導電油墨、石墨烯紡織纖維、石墨烯潤滑油、石墨烯防腐涂料等四種石墨烯應用產(chǎn)品，并實現(xiàn)量產(chǎn)。
領先國內(nèi)建立起全省首條石墨烯生產(chǎn)線
石墨烯制備是石墨烯應用的前提。日前，記者來到位于哈爾濱新區(qū)的黑龍江科技大學，在王振廷帶領下走進我省唯一石墨烯應用研究重點實驗室、省石墨烯粉體應用工程技術研究中心。一進門，便是石墨烯研發(fā)成果展室，幾張石墨烯研發(fā)成果展板懸掛于墻上，其中一張展板格外引人注目：2012年，黑龍江科技大學整合校內(nèi)資源，成立了石墨烯制備與應用研究中心。2015年，該團隊建立了省內(nèi)首條石墨烯生產(chǎn)線，成功實現(xiàn)科研成果產(chǎn)業(yè)化……首條石墨烯生產(chǎn)線的建立，讓王振廷團隊士氣大振，堅定了石墨烯應用研發(fā)之路，并于2016年獲得黑龍江省十大石墨烯團隊殊榮。
“石墨就像一本厚重的書籍，有上百層，甚至上千層，剝的越薄，附加值越高。石墨烯剝離層數(shù)不同，其應用性能也不同。石墨烯研發(fā)就如同探險，艱難之中總會遇到一個個驚喜。”王振廷團隊在總結國內(nèi)外石墨烯制備方法的基礎上，自主研發(fā)了插層剝離法，生產(chǎn)過程高效、綠色、環(huán)保、成本低，生產(chǎn)的石墨烯層數(shù)在1~10層之間，做到10納米以下分層可控。該技術指標達到國內(nèi)領先水平，是目前國內(nèi)外最適宜大規(guī)模生產(chǎn)的新技術之一?！笆?jīng)過剝離，制備出石墨烯，形成石墨烯應用產(chǎn)品的原材料。然而，石墨烯如何轉化成產(chǎn)品，不是簡單的添加，這需要有敏銳的市場嗅覺，更需了解所研發(fā)產(chǎn)品涉獵的行業(yè)知識，反復試驗，不斷優(yōu)化?！痹谕跽裢⒀壑校┛梢詰玫缴畹姆椒矫婷?，隨著下游應用產(chǎn)品的研發(fā)，他正一步步用石墨烯改變著百姓生活。
全國首創(chuàng)將石墨烯成功“紡”進線里
在石墨烯研發(fā)成果展室內(nèi)，細到粉末，大到懸掛于墻壁上的石墨烯加熱壁畫，多個石墨烯產(chǎn)品不斷給人驚喜?！翱?，這兩軸線可不是普通線軸，這里面加入了石墨烯，具有抑菌、殺菌、抗菌和防靜電的作用。市場上常規(guī)滌綸絲賣1萬多元/噸，而石墨烯紡織滌綸絲的價格達到18萬~20萬元/噸。”王振廷告訴記者，該團隊采用天然石墨烯改性技術制備紡織材料在國內(nèi)尚屬首例。
回首研發(fā)路，王振廷口中念叨最多的便是“難，太難了！”2015年，首條石墨烯生產(chǎn)線投產(chǎn)后，王振廷琢磨著石墨烯的抑菌、抗菌、抗靜電等性能，普通布料不具備抑菌性，這要是能把石墨烯加入布料中，肯定受歡迎。石墨烯與滌綸錦綸是不結合的，但王振廷團隊經(jīng)過無數(shù)次試驗、分析，成功突破了天然石墨烯在滌綸紡織材料難以分散、難以紡絲的關鍵技術，將天然石墨烯均勻分散到滌綸紡織材料中。
實驗室研發(fā)成功后，王振廷把加入石墨烯的紡織母粒郵寄到南方一紡織廠，讓其幫著紡成線，起初廠家不同意，到后來回饋“效果不行，再郵點試試。”此時，王振廷犯起地嘀咕，“不行，為啥還一再要！他們是不是沒說真話，既然要，這玩意兒肯定行。不等了，自己做！”王振廷團隊堅持研發(fā)方向，并于2018年7月成功研發(fā)出石墨烯紡織滌綸絲技術，同年9月通過國內(nèi)最高檢測機構即國家棉印染產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，各項指標均優(yōu)于國家標準，這標志著石墨烯在紡織應用領域技術實現(xiàn)重大突破。
石墨烯滌綸紡織纖維的抑菌抗菌和防靜電特性，使其應用前景非常廣闊，可以在婦女兒童內(nèi)衣、醫(yī)院床單、防菌服、軍隊和特種行業(yè)大顯神威。目前，該團隊與雞西市昌隆石墨制品有限公司合作，生產(chǎn)石墨烯母粒及滌綸紡織纖維，攜手進軍紡織業(yè)。
不斷求索讓石墨烯應用到更廣闊領域
在石墨烯研發(fā)成果展室內(nèi)，一張黑乎乎的“大塑料板”靜靜地依靠在玻璃站臺旁。王振廷指著它說：“石墨烯滌綸纖維不是最牛的，這才是我最驕傲的研發(fā)成果。插上電讓她們看看！”隨即王振廷學生接通電源，記者手指剛觸碰到“大塑料板”，一股熱流“燙”得記者抬起手指，此時測溫器上顯示113度?！斑@是石墨烯發(fā)熱膜，它可以衍生出很多產(chǎn)品，像墻上掛的壁畫，既可裝點家居，又能替代傳統(tǒng)加熱器?！蓖跽裢⒄f，石墨烯電加熱膜可以實現(xiàn)電加熱轉換90%以上，最高加熱溫度可以達到150℃，溫度可根據(jù)客戶需求隨意調(diào)整，與目前使用的電暖器相比節(jié)能30%以上。同時，石墨烯加熱膜還具有升溫速度快、無異味、無噪音等特點，其放射出的紅外線還具有保健功能。
“石墨烯加熱膜是我們的核心技術，它的前段產(chǎn)品則是我們另一核心技術，石墨烯導電油墨?！蓖跽裢⒄f，采用自制的石墨烯導電油墨，再經(jīng)過絲網(wǎng)印刷印在絕緣膜上，進而形成石墨烯發(fā)熱膜，該團隊不斷健全石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈條，應對不同市場需求研發(fā)新產(chǎn)品。以石墨烯加熱膜為例，其在蔬菜水果大棚、育苗保溫取暖、加熱壁畫、地板加熱、地磚加熱、桑拿房等具有廣闊的應用市場。
此外，該團隊與哈爾濱長河特種涂料廠合作生產(chǎn)出石墨烯重防腐涂料，其使用壽命是富鋅環(huán)氧重防腐涂料的3倍。王振廷團隊通過實驗研究表明，在普通潤滑油中加入石墨烯改性劑，各項性能指標比肩國外名牌潤滑油。目前，王振廷團隊擁有2項發(fā)明專利、2項目實用新型專利及正在申請的4項發(fā)明專利。這些專利有些已轉化落地，有些正在轉化路上。當下，王振廷團隊還有四種實用石墨烯產(chǎn)品正在研發(fā)中，2年內(nèi)將實現(xiàn)量產(chǎn)。
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石墨烯走進生活
隨著國家支持力度的加大，我國石墨烯技術近年來不斷取得突破，產(chǎn)業(yè)化應用也越來越廣泛，并且逐漸從低端走向高端。
11月23日，在浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心，42歲的劉兆平對于該產(chǎn)業(yè)的前景充滿信心，“我們本來規(guī)劃到2020年，研發(fā)團隊的人員達到150人，截至目前，已經(jīng)提前實現(xiàn)了這一目標。”這位全國五一勞動獎章獲得者，是科技部科技創(chuàng)新領軍人才，如今擔任創(chuàng)新中心的負責人。
據(jù)介紹，該創(chuàng)新中心位于浙江省寧波市中科院寧波材料技術與工程研究所，致力于石墨烯產(chǎn)業(yè)關鍵共性技術和產(chǎn)業(yè)前沿技術的創(chuàng)新研發(fā)、技術轉移擴散和首次商業(yè)化。
據(jù)了解，石墨烯是一種以六角形蜂巢結構周期性緊密堆積的碳原子構成的二維碳材料，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。因具有優(yōu)越的性能，其在產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面雖然剛剛起步，但已經(jīng)開始迸發(fā)巨大的能量和活力。
當前，越來越多的石墨烯相關產(chǎn)品走進了人們的生活之中。其中以石墨烯粉末(體)為原料的產(chǎn)品，如功能涂料、復合材料、電極材料和結構增強型材料等，部分已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。比如，護腰、護膝等使用石墨烯材料的康復產(chǎn)品，以及初步使用石墨烯材料的動力電池、超級電容器等。
這些產(chǎn)品因為石墨烯的使用都不同程度地提高了性能。以石墨烯動力電池為例，因為使用了石墨烯復合電極材料與石墨烯導電添加劑，能顯著提升動力鋰電池的能量密度、功率密度與壽命，在一定程度上解決了電動汽車續(xù)航里程短的瓶頸問題 。“雖然這些產(chǎn)品目前還不夠高端，但是作為一種新興的業(yè)態(tài)，仍然值得肯定?！敝锌圃簩幉ㄋ晃回撠熑苏f。
各國大力發(fā)展
石墨烯在新能源、電子信息、功能材料、節(jié)能環(huán)保、航空航天等領域有著巨大的應用潛力?！坝型蔀橐I新一代工業(yè)技術革命和主導未來高技術競爭的戰(zhàn)略性前沿新材料。”劉兆平說。
鑒于石墨烯應用的“大好前景”，目前，各國紛紛布局石墨烯領域，搶占產(chǎn)業(yè)“制高點”。有報告顯示，全球已有80多個國家投入石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)。美國、日本、韓國等相繼發(fā)布或資助了一系列相關研究計劃和項目。特別是歐盟制定了石墨烯旗艦計劃，計劃投入10億歐元推動石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
目前，全球石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)綜合實力最強的是美國、日本和中國。一些跨國公司成為研發(fā)石墨烯的主力，IBM、英特爾、陶氏化學、三星等國際知名跨國企業(yè)紛紛將石墨烯及其應用技術作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，而且還涌現(xiàn)出了大批專門從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)和應用的機構和企業(yè)。
業(yè)內(nèi)專家認為，從技術成熟度的角度來看，全球的石墨烯產(chǎn)業(yè)目前總體上處于概念導入期、產(chǎn)業(yè)化突破前期，正從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
我國也大力鼓勵石墨烯這一新產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家自然基金委、科技部、國家發(fā)改委、工信部等相關部委都高度重視石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)與應用，不斷加大投入和支持力度。目前已經(jīng)有幾百家科研機構和公司從事石墨烯材料及其相關產(chǎn)品的研發(fā)。
據(jù)統(tǒng)計，截至2016年底，我國石墨烯專利申請量占全球68.2%，85%以上的理工科學校都有石墨烯相關的研究團隊，有的高校甚至一個學校就多達10多個研究團隊。2017年，兩項石墨烯研究成果獲得國家科技進步獎。我國從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)紛紛涌現(xiàn)。截至2017年底，全國在工商登記注冊的石墨烯企業(yè)約4800家。
應用前景廣闊
值得一提的是，在低端應用范圍越來越廣的同時，一些高端的技術也正在取得實質(zhì)性突破，并開始產(chǎn)業(yè)化應用。
在浙江石墨烯創(chuàng)新中心，一卷透明的薄膜引起了記者的興趣。據(jù)劉兆平介紹，這是石墨烯柔性加熱組件，將極薄的石墨烯粉末涂在特制塑料薄膜的兩面。據(jù)了解，理論上1克石墨烯單層可涂滿2000多平方米的薄膜，涂后組件厚度僅為平常紙張的厚度，可以實現(xiàn)高度的導熱功能。這種薄膜 “可以顯著提高電熱轉化效率，有望全面替代傳統(tǒng)取暖方式。”
石墨烯作為一種新材料，從發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模應用，是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，需要遵循新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律。因此，在一些專業(yè)人士看來，我國的石墨烯技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前依然存在許多問題。比如有企業(yè)以石墨烯為噱頭大肆炒作概念，諸如出現(xiàn)“用了石墨烯材料，可以讓動力電池續(xù)航里程達到1000公里”這樣的廣告詞。在業(yè)內(nèi)專家看來，這種炒作不值得信任，從目前的技術來看，還實現(xiàn)不了。
雖然面臨商業(yè)炒作多技術突破少、產(chǎn)業(yè)低端化傾向明顯、成本高推廣難等諸多難題，但是，作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，在短短幾年時間里，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，也引起了世界的高度關注。
諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆就說：“中國正引領石墨烯商業(yè)化。”2004年，正是安德烈·海姆和另外一名科學家用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，并發(fā)現(xiàn)其一些特性，二人因此獲得2010年諾貝爾物理學獎，從而讓石墨烯這一材料廣為人所知。
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