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石墨烯超纤新材料技术研究与展望

嘉峪检测网        2019-12-27 14:17

自改革开发以来,我国各行各业都出现了跨越式发展。近十几年,中国超纤皮革产业在国家去产能、大力创新发展的背景下厚积薄发,产量从最初的2003年不足200万m到2018年3月底的2亿m,15年间产量增长了近100倍,出现了突飞猛进的跨越式发展!

 

据中国塑料工业协会公开数据显示,2017年我国超纤皮革产量突破1.5亿m,占世界总产量65%,产量连续多年蝉联世界第1。

 

虽然我国已经成为世界超纤生产大国,然而在高端产品创新上与国外相比还有很大差距,尤其无法比拟日本的高附加值产品。目前我国还不能量产高端麂皮、高端超纤皮革、高端水性皮革、高端功能性皮革材料,类似高端产品国外市场售价均在40~50美元/m2,而我国的产品价格多数在5~20美元/ m2之间,差距之大。

 

2018年三四月间,美国总统特朗普签署法令对中国出口到美国的一系列产品关税加大征收力度,也影响到我国纺织皮革产品对美国的出口。因此,我国需加快超纤皮革产品的研发和产业升级,使我国迈进超纤皮革生产强国行列。

 

天守(福建)超纤科技股份有限公司(以下简称“天守超纤”)与四川大学合作,致力于功能性超纤新材料开发,目前水性超纤、纳米硅胶超纤及石墨烯超纤材料已经通过中产试验,开始小批量应用到车船内饰、航天军工、鞋服、沙发、箱包家装等各个领域,战略上占领了制高点。

 

一、国内外石墨烯发展现状和技术趋势

 

石墨烯是目前已知最薄(层厚0.35nm)也是最坚硬的二维纳米材料,也是目前电阻率最小的新材料。石墨烯材料因其结构和性能的特殊性在晶体管、集成电路、热界面材料、导热材料、储能材料、超级电容器、聚合物增强材料、抗菌材料、海水淡化、环氧防腐涂料、锂电池、太阳能电池、充电储电等领域得到了广泛的应用,尤其是石墨烯锂电池的充电速度大为提高,是未来手机及新能源动力电池的新出路。

 

石墨烯产业作为高端技术已经引起各国高度重视,欧盟将石墨烯列入“未来新兴旗舰技术项目”;2013年英国、韩国等把石墨烯作为国家重点发展方向并投入大量研发费用。我国在近年来也针对石墨烯产业出台了相关支持政策,各地方政府批复的石墨烯及相关规划也层出不穷。

 

2013年,中国石墨烯产业技术创新战略联盟和山东省石墨烯产业技术创新战略联盟相继成立。宁波、成都、深圳、青岛、济宁等地的石墨烯产业园、产业联盟及创新基地也纷纷成立,推动了石墨烯产业发展,未来中国石墨烯产业规模将达万亿元。

 

石墨烯超纤新材料是利用石墨烯材料的二维纳米结构以及导热、导电、增强、增韧、吸波等性能用于超细纤维合成革的生产制造,能够大幅度提高超细纤维合成革的耐刮、耐磨、吸波、抗静电、防霉抗菌、抗紫外线老化、加快负氧离子释放、阻燃抑烟、远红外保健等高物性和功能性,全面提升超细纤维合成革产品的档次,提升我国超细纤维合成革的国际市场竞争力。

 

二、石墨烯超纤新材料技术原理

 

石墨烯超纤新材料是基于石墨烯的高物性、功能性超纤合成革,仍可沿袭传统的工艺路线,但其关键核心技术即是如何将石墨烯引入超纤合成革制品中大幅提高合成革的性能。因此,与传统的超细纤维及超纤合成革制造技术相比,石墨烯技术的先进性及差异性主要体现在石墨烯超细纤维纺丝技术、石墨烯超纤基布浸渍工艺技术、石墨烯高物性涂层技术等3个方面。而在合成革涂层中引入石墨烯,提高涂层的物性,有2种涂层技术:其一是基于石墨烯无溶剂超纤革涂层技术;其二是基于石墨烯水性超纤革涂层技术。

 

在纺丝、浸渍或涂层巧妙地将石墨烯引入超纤合成革中,并大幅提高合成革热力学性能、导电、抗菌防霉、抗UV老化、阻燃抑烟、电磁屏蔽、远红外释放等性能,提升合成革的性能等级,目前天守超纤和四川大学已经申请了十几项该方面的专利,在红旗轿车小批量试用。

 

三、石墨烯超纤新材料市场前瞻

 

石墨烯超纤是超纤合成革升级换代产品,具有弹性好、强度高、手感柔软、透气性好等优点,主要用于制鞋、箱包、服装、家具、火车、民航、汽车、军事领域,建筑材料以及家纺等行业,是人民生活中重要的必需品,从经济发展趋势和产品市场需求分析,这些行业今后相当一个时期还将呈现快速发展的态势,加上国家发展循环经济、严格节能减排措施、转变经济增长方式,人民生活水平的提高,必将拉动其进一步的发展。

 

高密度合成革、超纤合成革是工业生产的重要原材料,广泛用于制鞋、箱包、服装、家具、火车、民航、汽车、军事领域,建筑材料以及家纺行业,石墨烯超纤新材料开发对提高我国合成革发展水平,调整人造革合成革生产结构,增强市场竞争力,提高资源利用率,带动和促进相关产业发展,发展地方经济,保护生态环境,实施可持续发展战略有着十分重要意义。

 

2017年工业和信息化部提出,计划2030年全面停止燃油汽车销售,国际各大主机厂也先后宣布2035年前后限制燃油车销售,加大新能源汽车开发力度。故新能源汽车必将是未来的发展潮流趋势,环保是大势所趋,而新能源车的首要目的就是环保无公害(特斯拉已经宣布不用真皮),石墨烯超纤完全符合这一特性要求;同时由于新能源车更注重轻量化,而同样厚度石墨烯超纤新材料其质量只是真皮一半,完全满足这一趋势要求。因此,替代真皮的高端产品,石墨烯超纤新材料必将是最佳选择。

 

四、石墨烯超纤新材料对产业发展的作用与影响

 

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维片层纳米结构的新材料,将石墨烯和超细纤维及合成革涂层有机结合,可提高纤维的强度、耐热性、耐水解性、阻燃性、老化性等性能;与涂层材料结合,可提高成品革的抗菌性能、耐磨耐刮、抗静电、吸波、抗菌、防霉、负离子释放、远红外保健等功能性。

 

目前,石墨烯作为未来10大新材料之一,已成为世界研究的热点。用石墨烯高新技术改造传统产业,可带动传统产业链的协同升级,是确保传统产业可持续发展的有效途径。

 

将石墨烯用于高端超纤合成革的制造,对上游石墨烯产业的的发展具有极大的推动作用。石墨烯用于高端超纤合成革的制造,定能为石墨烯的应用开拓又一新的领域。作为产业链的下游延伸,许多的高端制造业,包括军品工业(作战靴、帐篷革、装备吸波防护革等)、飞机、高铁、游艇、汽车、家装等高端领域对上游超纤合成革原料的高物性和功能性(如防水性、自洁性、阻燃性、耐磨性、导电性、吸波性、阻尼性、储能性、耐老化性、负氧离子释放等)提出了很高的要求。

 

石墨烯超纤新材料的技术研发和产业化推广,也会突破如化纤、皮革和纺织涂层、涂料等相关产业的关键技术瓶颈,提升皮革和纺织品的质量等级。

 

随着人类生活水平不断提高及个性要求的进一步拓展,石墨烯超纤复合新材料未来在汽车内饰、飞机轮船内饰、鞋服家居、航天军工等高端领域得到广泛应用,石墨烯超纤新材料产品必将在纺织皮革领域大放光芒!

 

作者:张哲,范浩军

 

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来源:新材料产业