生物質(zhì)制備工藝帶來石墨烯平價時代

李希平

石墨烯，當今發(fā)現(xiàn)的世界上最纖薄、電阻率最小，卻最堅硬的納米材料，被經(jīng)濟學界和科技界專家普遍認為是革命性的新材料，應(yīng)用非常廣泛，發(fā)展前景巨大，已在國內(nèi)外資本市場掀起軒然大波。有專家預(yù)測，這個新材料未來將撬動至少千億級的產(chǎn)業(yè)鏈……

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的新型納米材料， 從2004年石墨烯在實驗室被正式制備以來，受到全球廣泛關(guān)注，被譽為“新材料之王”。世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，以期在由石墨烯引發(fā)的新一輪產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)主動和先機。

平價石墨烯時代到來

中國已成為全球范圍內(nèi)關(guān)于石墨烯的出版物和專利的領(lǐng)先者。數(shù)據(jù)顯示，中國申請的石墨烯專利數(shù)量已超過2200項，占全世界的1/3，位居全球首位。目前已初步形成了政府、科研機構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學研合作對接機制，并涌現(xiàn)出了一大批石墨烯相關(guān)企業(yè)，在基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)方面誕生一大批優(yōu)秀成果。

濟南圣泉集團股份有限公司更是走出了一條生物質(zhì)石墨烯艱難探索創(chuàng)新發(fā)展之路，加速了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進程。圣泉專注于生物質(zhì)及各類新材料的研發(fā)與綜合利用，經(jīng)過三十多年的創(chuàng)新發(fā)展，形成了獨具圣泉特色的生物質(zhì)綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈，成為全球生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的佼佼者。主導產(chǎn)品呋喃樹脂和酚醛樹脂產(chǎn)銷規(guī)模處于領(lǐng)先地位，公司是國家“神舟”系列飛船返回艙保溫原材料指定制造商。近年來在生物質(zhì)石墨烯、生物醫(yī)藥、健康食品、軌道交通復(fù)合材料等領(lǐng)域誕生大批高新技術(shù)成果，其產(chǎn)品品質(zhì)、經(jīng)營模式等贏得行業(yè)廣泛認可。

圣泉集團自2008年開始不遺余力地開展生物質(zhì)綜合利用與產(chǎn)業(yè)化研究。經(jīng)過與中科院化學所、清華大學、山東大學、天津大學等國內(nèi)知名院校的合作攻關(guān)，對以玉米芯為主的生物質(zhì)各元素深度開發(fā)，積累了一系列研發(fā)成果和經(jīng)驗。2014年6月，公司與黑龍江大學付宏剛教授長江學者團隊合作聯(lián)合開發(fā)生物質(zhì)石墨烯制備工藝，由對方提供工藝配方和核心技術(shù)，圣泉負責原材料的研究、工業(yè)化大生產(chǎn)和應(yīng)用方面的實驗研究。經(jīng)過雙方一年的努力，運用“基團配位組裝法”工藝方法制備生物質(zhì)石墨烯宣告成功，在全球首創(chuàng)了以生物質(zhì)為原料制備石墨烯的先河，并通過公司科研團隊在原料、工藝流程、后處理精制等過程上的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，初步解決了石墨烯改性和分散這兩大世界性難題，使生物質(zhì)石墨烯具有了更加優(yōu)異的性能，全球首條100噸/年生物質(zhì)石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)線已于今年10月在圣泉集團成功投產(chǎn)。圣泉將以1元每克的價格向市場供應(yīng)生物石墨烯。

石墨烯的廣泛應(yīng)用

將石墨烯加入到酚醛樹脂中，固化后抗沖擊強度可提高150%，彎曲強度提高40%；加入到軌道交通新型復(fù)合材料“輕芯鋼”上，可有效提升該材料強度一倍以上，同時其抗沖擊、抗彎曲性能和耐磨性均有顯著提升，且無毒、氣體釋放量小，適宜大量使用在高鐵、汽車、輪船、飛機等高端內(nèi)飾材料上。

目前在橡膠、皮革和塑料上的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著成果。據(jù)山東理工大學與圣泉集團共同出具的檢測報告顯示，在橡膠中添加1.5%的石墨烯，拉伸強度提高了90%，在PVB中添加1%石墨烯，拉伸強度提高了120%，在橡膠中添加10%的石墨烯，電導率提高了1000倍以上；將石墨烯加入到皮革中，能有效增加強度，提高防火性能，同時自然具有防靜電性能，目前僅在皮革表面PU層的的市場用量達到100萬噸，加入1%的石墨烯，需求達一萬噸；尤其在急需提升品質(zhì)的汽車內(nèi)飾皮革材料中加入石墨烯，可有效提高防火等級，材料強度、抗耐磨度、抗撕裂度、柔軟度和光澤度等均有顯著提升。

而在可預(yù)見的一段時間內(nèi)，最有可能因為石墨烯的廣泛應(yīng)用而被改寫發(fā)展史的，將是汽車產(chǎn)業(yè)。用在剎車片上，磨損率大幅降低，同時在高溫下保證了摩擦系數(shù)的穩(wěn)定；加到輪胎上，可增加輪胎強度，有效延長輪胎使用壽命；用在汽車濾紙行業(yè)，其具備的良好散熱性和超強導電性，可確保及時釋放靜電荷，減少因劇烈摩擦引起的溫度驟升。

圣泉還先考慮將石墨烯應(yīng)用于和大眾生活密切相關(guān)的領(lǐng)域，在纖維上進行了積極探索并取得重大突破。公司與青島大學曲麗君教授科研團隊合作研發(fā)了生物質(zhì)石墨烯粘膠纖維紡絲技術(shù)，與東華大學聯(lián)合開發(fā)了生物質(zhì)石墨烯滌綸、錦綸纖維制備工藝，他們將這種復(fù)合纖維命名為“內(nèi)暖”纖維。圣泉集團計劃將生物質(zhì)石墨烯應(yīng)用到軍服上，使士兵在冬季告別臃腫的防寒服裝，應(yīng)用于普通保暖服飾，讓愛美人士在冬天“既有風度，又有溫度”。同時據(jù)《中國經(jīng)濟信息》記者了解，圣泉集團還有意在減肥服裝等多方面進行探索。一系列的“智能多功能”特性，讓這些外表看似普通的內(nèi)衣、襪子、T恤、坐墊、枕頭等與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的產(chǎn)品立即變得神奇起來。圣泉集團生產(chǎn)的石墨烯內(nèi)暖纖維，有長絲、短纖，而且規(guī)格齊全，短纖可與莫代爾、黏膠、棉、普通腈綸等其他各種纖維搭配混紡，長絲可與各種纖維交織，制備不同功能需求的紗線面料。在紡織領(lǐng)域，可以制成內(nèi)衣、內(nèi)褲、外衣、襪類、嬰幼服飾、家居面料、戶外外套等。

今年7月27日，在山東省經(jīng)信委組織的生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維及其在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用科技成果鑒定會上，以中國工程院姚穆院士為主任的鑒定委員會一致認為，圣泉生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維，是一種全新的智能多功能復(fù)合纖維，具有激活免疫細胞、防護紫外線、改善微循環(huán)、抗菌抑菌、增溫增陽等特性，主要技術(shù)指標及性能達到國際領(lǐng)先水平。生物質(zhì)石墨烯“內(nèi)暖”纖維的問世，使圣泉占領(lǐng)了全球石墨烯生產(chǎn)及應(yīng)用新高地?？蒲?、生產(chǎn)與應(yīng)用緊密結(jié)合，生物質(zhì)石墨烯在功能性纖維制品上的成功應(yīng)用，打開了生物質(zhì)石墨烯大規(guī)模商品化應(yīng)用的一扇天窗。

石墨烯發(fā)展前景

在當前新一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和科技革命的大背景下，石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)將對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等各個領(lǐng)域都將產(chǎn)生深遠影響。

日前，國家主席習近平訪問英國期間，在英國財政大臣喬治？奧斯本的陪同下參觀曼徹斯特大學的石墨烯研究所，并積極推動兩國之間的石墨烯合作項目。石墨烯在未來的發(fā)展前景如何，為此，我們采訪了山東省科技廳技術(shù)市場辦公室主任廉榮，他告訴《中國經(jīng)濟信息》記者，石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強的納米材料，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)作為長期戰(zhàn)略予以重點關(guān)注。未來10年，石墨烯具有提升和變革若干產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力，同時也有望在全球創(chuàng)造大量就業(yè)機會。因而，從技術(shù)角度審視石墨烯究竟對哪些具體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域更為重要非常關(guān)鍵。

未來10年，石墨烯將先后在復(fù)合材料、透明半導體材料、能源、光子、光電子和傳感器等領(lǐng)域走向應(yīng)用。從時間表來看，未來2年到3年內(nèi)石墨烯最有希望的應(yīng)用將是復(fù)合材料。一家名為Head的歐洲公司，正在利用石墨烯生產(chǎn)網(wǎng)球拍；另一家歐洲公司也正準備推出加入石墨烯的自行車輪胎；還有一家公司正將注意力轉(zhuǎn)向具有機械特性和熱力特性的復(fù)合材料。這些應(yīng)用都屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。其后，將是透明導電材料如手機和電視屏幕等。未來5年內(nèi)，石墨烯在能源領(lǐng)域也將大有作為，如石墨烯電池和石墨烯超級電容器等。未來5年到10年內(nèi)，石墨烯將在光學、光子學和傳感器等領(lǐng)域，如光感測器、激光感測器、調(diào)制器及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等方面得到應(yīng)用。endprint