0532-83432166
新闻动态
联系我们

青岛德通纳米技术有限公司
电 话:0532-83432166
传 真:0532-86402866
邮 箱:info@dtnano.com
网 址:www.dtnano.com

行业资讯
您当前所在位置:首页 / 新闻动态 /
深度思考系列:石墨烯不是你想的那么容易驾驭的?
更新时间:2018-01-02 浏览数:

2018-01-02 石墨邦

石墨烯是好东西这点大家都知道,但普遍来说大家都不懂得使用。加上石墨烯无法单独使用,需要与其他介质做结合,才能发挥出各种不同的效用,这时候二次加工时要面临的「界面」与「分散」问题就是一个很难跨过去的坎。其次,在制备方法上,氧化还原法在制备时,由于单层石墨烯非常薄、容易团聚,会降低石墨烯的导电性能及比表面积,进一步影响其在很多場合的应用,这也是我一直在科普「单层石墨烯无用论」的原因,至少在实务上单层石墨烯要克服的技术难点还很多。

若再加上氧化对环境污染上的考量,氧化还原法未來還是很难突围,这点连地方政府都已经接收到信息,每次都会问你的工艺会不会造成环保问题,所以不要再心存侥幸了。而化学气相沉积(CVD)法普遍被认为是最有希望制备出高质量、大面积石墨烯的生产方法,但 CVD法在制备后期,对于石墨烯的转移过程比较复杂,而且制备成本较高。所以可以判断,这两种制备工艺未來都很难走向市场化。

就因为「不会用」而否定石墨烯的这些所谓行业专家,多半是没有使用过石墨烯、不了解石墨烯的水有多深的「伪专家」。石墨烯只不过是最上游的材料,加上各类物性好,我常形容是「怀璧无罪」,就看你想补强那块就用它在这块的特性来设计石墨烯,这样有错吗?我不迷信石墨烯能变成「主角」来拯救世界,但我始终相信石墨烯做为「配角」或许可以改变世界!

「成本」已经不是石墨烯无法成为市面商品的关键制约,但石墨烯产品为何还是很少被世人看到?这又很多涉及到行业特性,很多事情都得看「门道」而不是看「热闹」才行!我也来说说这段时间跟业者交流的实际情况。简单整理一份行业制约-技术门槛的矩阵,让大家更容易看出哪些石墨烯信息在忽悠。


可以看出,志阳科技很懂得驱吉避凶,先挑左边两个象限的「软柿子」来发展,当然未来也不会放弃右边这两个象限的「肥肉」,但总得活下去再来说未来吧!當然,我们也可以用这个象限来审视现在发布的石墨烯应用技术是否可行?我的心得是,除了第四象限的产品比较有机会马上落地外,其它技术要不尚未成熟,要不就是还得搞定各行各业的「潜规则」后才能算是成熟的产品。

轮胎

石墨烯轮胎要想大规模量产,对石墨烯质量有很高要求,而且还要具有性价比优势。毕竟,每条子午线轮胎才赚 10 几元,加了石墨烯也无法提高售价不打紧,加上业者没有立即市场压力要去做技术提升,那就慢慢来耗吧。高性能胎面胶的要求是:低滚劫阻力(节油)、高抗湿滑性能(安全)和优屏的耐磨性(夸命),实际上三者很难平衡,往往顾此失彼。因此三者的关系被人们称为「魔三角」,其原因分析如下:纯橡胶的强度低,必须加入大量的纳米填料增强,以提高其强度和耐磨性;轮胎滚劫时,胎面会严生周期性的形変,由于大量纳米填料的加入,胎面橡胶纳米复合材料在周期性的変形过程中,填料与填料间、填料与橡胶间的摩擦将导致材料内部的滞后生热急剧增加,从而使轮胎的滚动阻力增加;橡胶材料经纳米增强后,复合材料的模量和硬度增加,与湿滑路面的接触面积减少,抗湿滑性能下降。其次,如何提高填料在橡膠中的分散,才是二次工藝最需要改善之處。

我们可以选择白炭黑-硅烷偶联剂胶料,因为其填料-填料间、填料-橡胶间摩擦较小,材料内部的生热较低。而白炭黑和橡胶界面间的化学作用也使白炭黑胶料的耐磨性能明显提高,可与炭黑胶料相媲美。另外,白炭黑的硬度明显高于炭黑,在湿滑路面上具有穿透水膜的作用,增加了轮胎和路面间的有效接触,是白炭黑胶料具有优异抗湿滑性能的原因之一。另外,在二次工艺可以使用原位改性分散技术,这已经被工业界普遍应用,但在实施过程中要准确控制原位改性的温度并不容易。至于卡博特公司的湿法混合技术也未见商品出售,在成本、母胶的稳定性和性能上大家还在努力中。

上面想说的重点是,即使你找到石墨烯用在改质白炭黑的研究方向,但不可控的是「二次加工」。另外一个残酷的事实是,基本上所有轮胎都得通过米其林认证,要完成石墨烯轮胎除了产品认证外,还得经过一系列的安全验证,轮胎是涉及人身安全的产品,相信这将是条很漫长的道路。青岛几家石墨烯轮胎新闻发布会后根本没有量产,要不就是成本太敏感,要不还在努力中,就是这个道理。

润滑油

石墨烯基於層間公度性現象,是最好的润滑填料毫无置疑。但国内有些公司在打石墨烯口号销售石墨烯润滑油,大肆渲染石墨烯功效,説什么抗磨减震两万公里换油,又能节省油耗,这些都是在忽悠。他们所谓的石墨烯润滑油,无非将石墨烯混合到润滑油里,就妄想可以减摩擦、减少油耗。至于增加动力一说,纯粹是心理作用,连最起码的理论支持都没有。原因是石墨烯无论在溶剂里还在空气中都逃脱它最终命运-「团聚」,也就是说石墨烯总是会团聚成大颗粒石墨。所以把石墨烯润滑油加到汽车发动机里,在高温运作下,石墨烯慢慢团聚成石墨颗粒,这就是宝马车主疑似更换石墨烯机油后故障频发,维修费用预估十万以上求偿无门的主要原因。

更有甚者,天天拿个抗磨机做实验给你看,说什么他们的石墨烯润滑油能加几十块砝码,抗磨机才会抱死,别家知名品牌的只用三块砝码就抱死,那我们就来讲讲他们所谓的抗磨试验!其实,抗磨机的实验和汽车的实际工作完全两个概念!这种抗磨试验机工作机理,是在一定外力负荷下,机油由于钢珠磨轮相互摩擦运动时,在增加负荷条件下,也就是在不断增加砝码过程中,以最终油膜破裂、摩擦钢珠和磨轮抱死的最砝码数量为依据,从而判断机油的极压耐磨性,进一步证明润滑油性能优异于其他任何品牌。事实上,润滑油在发动机内经历高温、高压高速高剪切等复杂情况,并且须具备润滑、散热、清洗、防腐、减震、密封等功效。抗磨性能只是润滑油的多种功效中的一项,仅做抗磨试验不能说明产品好用,因为润滑油还在基油中的添加有各种添加剂,这些添加剂的含量要平衡,不能单独加大某一添加剂的剂量。

润滑油在发生化学物理等一系列的变化后,要保证整体性能不变才行,所以不能仅看在抗磨机上能加几个砝码、磨痕的大小,来判断润滑油的好坏。从材质上试验机较为单一,而内燃机中有各种铸铁、合金钢及有色金属等。所以用评定润滑油抗磨损性能(及摩擦性能)的通用试验机作为内燃机油抗磨试验有一定的局限性。综上所述用抗磨试验机检测润滑油的质量是不科学的。评定润滑油性能主要是台架试验和实车试验,如果你真有心还可以进行 UOA =
Used Oil Analysis 使用过的油(旧油)分析,送到实验室对新油和旧油通过光谱溶析电离等手段检测油液中常规金属物质的含量进行确定,以判断润滑油的衰减状况和发动机工作状况。

我跟很多润滑油业者交流后决定停下脚步来,原因有二,第一,润滑油要推广就是要走中石化、中石油系统,那你唯一的选择是代工,否则只能靠广大 4S 店或微商系统给利润来推广。第二,石墨烯润滑油即使磨耗失重及摩擦系数表现良好,你还得解决「沉淀」及「黑色」的问题,目前市面上石墨烯润滑油没有任何一家可以解决。更没道德及专业的业者甚至说,石墨烯可以像腻子一样把缸壁上不平整的地方抹平。天呀!石墨烯是无机材料也是惰性材料,没有经过磁性官能化怎么可以黏附在缸壁上?根本就是没有抹平,在高温运作下,石墨烯慢慢团聚成石墨颗粒沉淀,久了自然出现问题了。石墨烯润滑油真的像你们说的那么牛,这些唐山、无锡、珠海、山西、黑龙江等生产石墨烯润滑油的厂商,干嘛不去申请通过相关国家标准呢?这点道理其实也不难参透的。

防腐涂料

石墨烯防腐涂料则面临国际知名品牌的竞争。目前挪威、日本等国家的知名公司,在涂料生产供应、质量监督、涂装规范及涂装现场管理等方面形成了体系,新产品难以介入。而石墨烯防腐涂料能够有效替换原有涂料中的锌粉,防腐效果大幅提升,但我国防腐涂料国标对锌含量有明确规定,标准的制约也使新产品难以推广。不过,从现有重防腐涂料的市场情况来看,石墨烯走向实际应用还欠缺大量的市场验证,人们現都处在想用但不敢用的状态。虽然某些公共工程已经率先使用石墨烯防腐涂料,且产品保固险也己经出台,但我们还是想做出完全取代锌粉的防腐技术才有意义。

石墨烯防腐塗料的工艺已经做到 1wt% 石墨烯可以取代 40-50% 锌粉,但离完全取代锌粉却是遥遥无期,原因是腐蚀机理导致。锌是一种极易被氧化的金属,在空气中被氧化后其表面形成一层致密的氧化膜,能够补充被保护金属丢失的电子,从而保护金属内部不被继续氧化。而石墨烯导电性佳,将石墨烯引入到锌粉底漆中,与锌粉形成良好的导电网络,从而突破性实现了在低锌条件下仍然具有优异阴极保护作用和防腐性能。此外,石墨烯的阻隔性强,甚至分子、原子无法穿透,所以是防腐涂料很好的填料。但奇怪的是文献也提到,CVD 制备的石墨烯也只能提供短时间的防腐效能,在长时间腐蚀测试(6個月)中,有涂布石墨烯的铜表面反而比纯铜表面的腐蚀性更为严重。这是因为导电性石墨烯增强了金属的电化学腐蚀,反而比不上纯铜表面发生氧化反应时所产生的钝化膜所减缓腐蚀的效果好。

地暖

大部份的电地暖都是 PTC 效应,意指随着温度升高,单位时间内消耗之电流变少,发热量亦变少。电能转成热能完全依照「能量不灭定律」,并没有何种系统较省电的问题。接着,我们来比较电地暖材料。欧美几乎无人使用「电热膜」作为地暖之用,而中国一线城市也主要使用欧洲合金电缆,电热膜主要用于二三线城市。电地暖具有三大风险,這是連業者搞不好都不知道的秘密,包括:(1).局部过热;(2).漏电;(3).电磁波。

但电热膜目前还是无法規避上述任一风险的。以下整理电热膜需要解决的问题有:

(1). 电热膜基本性质都是不耐外力、不耐高温、功率不稳、使用年限短。

(2). 使用掺碳墨之高分子塑料为发热体,其功率随年限衰减、寿命不长,并不适合使用于建物结构内。说 PTC 碳墨印刷膜能达到 50 年简直是天方夜谭。

(3). 不管发热体为何,只要电流通过就会产生电磁波。像碳素制成之发热电缆、碳墨高分子塑料制成之发热带都以铜网屏蔽层包覆,但当此类物质制成之电热膜的包覆体为 PET 时,其结构就无法设置电磁波屏蔽层。

(4). 省电节能:所有电地暖都是单纯的电阻发热,完全按照能量不灭定律将电能转换成热能,没有何系统较省电的问题。

(5). 耐撞击: 碳墨发热线路与载流条的接点太多,必须在地板下方置放缓冲垫以减缓外力。

(6). 耐高温:PET 在 65℃ 以上就会开始软化,80℃ 以上就可能产生气泡、分层。

其次,业者说什么电热转换率高达 99% 都是拿不出检测数据胡诌的,我们既然说石墨烯导电好,干嘛动不动片电阻都有 4000ohms/sq?我们自己做 PI 电热膜,单边法向发射率 88% 已经算很多了,因为需要高分子做黏着基材,你们尽在说石墨烯可以做到发射率达 99%,这不是鸡同鸭讲吗?是故意忽悠消费者吧?实际上,PET 电热膜的法向发射率在 75% 左右而已。

从医学的角度讲,人体是一个生物体,从物理学的角度看,人体是一个天然的红外辐射源,其辐射频带很宽。无论肤色如何,活体皮肤的发射率为 98%。人体表面的热辐射波常在 2.5-15μm 范围,峰值波长约在 9.3μm 处,其中 8-14μm 波段的辐射约占人体辐射能量的 46%,这或许就是 DOI:10.1038/nphoton.2013.57. 所谓:石墨烯能吸收高达于 40% 远红外线及微波频率范围的光的来源。

根据 Kirchhoff's Law 可知,人体同时又是良好的红外吸收体,吸收波以 8-14μm 为主,刚好是在远红外线波段。红外辐射吸收的机制是通过人体组织中 C-H、O-H键伸缩振动,C-C、C=C、C-O、C=O 键及 C-H、O-H 键弯曲振动对应的谐振波,大部分在 3-6 μm 波段。若辐射能促进上述的伸缩和弯曲振动的话,大约 2-20.3 μm 波长的远红外辐射效果最好。

产生远红外线主要方法选择热交换能力强、能放射特定波长远红外线的材料,然后加工制造成各种形式、各种用途的产品。根据 Wien's law 说明物体越热,其辐射谱的波长越短,辐射体发射出去最大辐射强度所在之波长与温度关系如下:T=2897/λ。虽为达到较好的加热效果,远红外线之放射率越高越好,但也须配合被加热体的波长及温度。以一般人体温度约 37℃,最适宜的波为:2897÷(273 + 37)= 9.3 μm。因此远红外线在人体 37℃ 的应用时,在 9.3μm 波长范围的远红外线释放率越高,远红外线的穿透性越强,对人加热之效果越好。

传统 PET 电热膜法相发射率约 75%,照常理来说,除非你穿紧身衣,否则远红外线穿透深度在 0.01 至 0.1 厘米,你穿了衣服再戴上护腰根本是无效的。某家外销加拿大的电热毯国企子公司老总告诉我,为何很多石墨烯理疗产品都不敢出具第三方检测数据,就是通过不了才会走微商销售,卖得又贵,让他们推广起来很费事,这不就是石墨烯产业一样碰到的鸟事吗?

来源:知乎  

石墨邦编辑整理。http://mp.weixin.qq.com/s/aGvOyGjIrtpqxrNBHYstlA

(以上文章系转载,并不代表本网站观点,如涉及版权等问题,请联系我们以便处理)