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用绿色智能材料创造美好生活——记沈阳化工研究院石墨烯及纳米材料应用技术研发团队

时间:2017-12-01     来源:沈阳院
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为什么智能纺织品产业方兴未艾,却在市场上面临“叫好不叫座”的尴尬?为什么智能服装常常“走秀”于T型台,却没能晾挂在老百姓家的阳台?近年来,在国内外智能纺织品研发领域不断推出新产品的同时,“使用寿命短、原料成本高”,俨然已成为横亘在研发人员面前的一道世界性难题。 近日,中化集团下属沈阳化工研究院喜报传来,化工新材料所的魏峰教授团队成功开发出石墨烯及纳米材料应用技术,这一技术将有望让智能纺织品走进寻常百姓家。 “脆弱”电路催生研发新思路 电热毯是将绝缘性能达到标准的软索式电热元件织入或缝入毛毯里,而作为高科技产品的智能纺织品电路,其原理与电热毯也有相似之处,就是运用混纺法或涂层法,把导电电路纺入纺织品里或涂在纺织品上。 魏峰教授介绍,这两种方法各有优缺点:混纺法制得的导电电路通常导电性好,但穿着舒适性及耐洗耐折性能差;涂层法制得的导电电路,虽然能较好满足人体舒适性需求,但耐洗耐折性能差、使用寿命短。不难发现,两种方法的共性问题就是耐洗耐折性能差。而按照纺织品行业约定俗成的标准,只有产品耐洗性能达到50次家庭洗涤标准,才具备市场推广及应用价值。在2012年以前,虽然智能纺织品在传感器设计等方面的技术已经比较成熟,但是因导电电路缺陷,导致国内外市场上没有任何一种产品能达到耐洗50次、耐180°反复折叠性能。 也正是从2012年起,魏峰团队在公司的大力支持下,与英国利兹大学共建联合实验室,联合开展《智能纺织品用导电油墨》项目开发,攻关石墨烯及纳米材料应用技术。团队依托沈阳院—英国利兹联合实验室平台,着眼于导电材料配方设计、分析、测试、工业放大和商业推广,确立三个技术突破点:一是与所有已经商品化的导电油墨相比,耐折耐洗性能更好,使用寿命更长;二是与已有传统油性导电油墨相比,VOC更低,更安全环保;三是成本比银导电油墨更低,适合大批量生产。 性能指标引领研发新高度 导电油墨由导电填料、黏合剂、溶剂以及添加剂等组成,是用导电材料分散在连结料中制成的糊状油墨。项目伊始,魏峰团队就以前瞻性眼光,确立把绿色环保元素融入项目全过程的研发思路,运用清洁技术开发水性碳系导电油墨。 起初,团队利用已有技术储备,采用水性聚氨酯分散体开发导电油墨。多次试验结果显示,虽然这种导电油墨印刷在纺织品上导电性能良好,但是耐洗性都没能达到洗涤20次,而且印刷电路手感偏硬,耐折性能较差,根本无法应用在智能纺织品上。 出师不利,魏峰决定推倒重来。针对耐洗性能差问题,团队经过多次试验论证,决定用超柔软聚丙烯酸乳液、有机硅水性分散体作为基础树脂,以替代水性聚氨酯分散体。让团队倍感振奋的是,用这种方法制作的印刷电路不但柔软性好,而且对基材附着力强,能够大幅度改善耐洗耐折性能。 魏峰带领研发人员乘势前进,采用高品质石墨烯作为导电材料,配合导电碳黑和石墨粉,先后设计出数百个配方,经过上千次试验,终于开发出高导电性油墨配方,研制出具有商业推广价值的水性碳系导电油墨。这种导电油墨可以利用丝网印刷技术在纺织品上印刷导电电路,只需印刷薄薄一层即可满足要求。试验结果表明,导电电路经过50次水洗后导电性能依然良好,并且顺利通过了180°反复折叠的耐折性能测试。同时,针对导电油墨使用过程中纺织品因高温烘烤容易变色问题,团队研制出低温交联剂,将涂层固化温度降低到80℃,为产品工业化生产扫清了技术障碍。技术开发过程中,团队还申请了4项发明专利。 市场前景拓展研发新领域 从智能手机到智能手表,从智能冰箱到智能汽车……如今,“智能”正不断嵌入人们日常生活的方方面面。用科技实现衣食住行智能化,无疑成为人民群众日益增长的美好生活需求的重要组成部分。 作为化工新材料追梦人,团队在前期研发成果基础上,又开发出水性石墨烯电磁屏蔽涂料,成果已开始商业化推广。这种涂料可广泛应用于电磁屏蔽服装、屏蔽布、屏蔽手机套,其耐洗耐折性能比银、铜、不锈钢丝混纺布料更强,使用寿命也更长;还可涂刷在建筑墙体表面,应用于军事指挥中心、大型计算机中心等重要场所,发挥电磁屏蔽功能,防止重要信息泄露。团队还致力于开发具有防腐抗静电功能的水性石墨烯导电涂料,用于油品、化学品、煤气、天然气等储罐表面涂刷,以及加油站及重点保护建筑物表面涂刷,确保安全。 在魏峰团队的科研视野里,新时代是智能科技的时代,更是纳米技术的时代。魏峰介绍说,全球智能纺织品产值预计2020年将达50亿美元。石墨烯及纳米材料作为很有前途的新材料,在智能纺织品、锂电池、屏蔽材料、功能涂料(油墨)、柔性显示、射频识别、复合材料、导热材料等领域均显示出良好的应用前景。 “石墨烯及纳米材料应用还处于起步阶段,随着国家环保政策要求日益严格,这种绿色环保产品必将得到进一步重视。”魏峰信心满满地说,“作为美好生活不可或缺的一部分,石墨烯及纳米材料应用技术的市场和前景不可限量。” 作者:沈阳化工研究院/周传明
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