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用綠色智能材料創造美好生活——記沈陽化工研究院石墨烯及納米材料應用技術研發團隊

時間:2017-12-01     來源:沈陽院
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為什么智能紡織品產業方興未艾,卻在市場上面臨“叫好不叫座”的尷尬?為什么智能服裝常常“走秀”于T型臺,卻沒能晾掛在老百姓家的陽臺?近年來,在國內外智能紡織品研發領域不斷推出新產品的同時,“使用壽命短、原料成本高”,儼然已成為橫亙在研發人員面前的一道世界性難題。

近日,中化集團下屬沈陽化工研究院喜報傳來,化工新材料所的魏峰教授團隊成功開發出石墨烯及納米材料應用技術,這一技術將有望讓智能紡織品走進尋常百姓家。

“脆弱”電路催生研發新思路

電熱毯是將絕緣性能達到標準的軟索式電熱元件織入或縫入毛毯里,而作為高科技產品的智能紡織品電路,其原理與電熱毯也有相似之處,就是運用混紡法或涂層法,把導電電路紡入紡織品里或涂在紡織品上。

魏峰教授介紹,這兩種方法各有優缺點:混紡法制得的導電電路通常導電性好,但穿著舒適性及耐洗耐折性能差;涂層法制得的導電電路,雖然能較好滿足人體舒適性需求,但耐洗耐折性能差、使用壽命短。不難發現,兩種方法的共性問題就是耐洗耐折性能差。而按照紡織品行業約定俗成的標準,只有產品耐洗性能達到50次家庭洗滌標準,才具備市場推廣及應用價值。在2012年以前,雖然智能紡織品在傳感器設計等方面的技術已經比較成熟,但是因導電電路缺陷,導致國內外市場上沒有任何一種產品能達到耐洗50次、耐180°反復折疊性能。

也正是從2012年起,魏峰團隊在公司的大力支持下,與英國利茲大學共建聯合實驗室,聯合開展《智能紡織品用導電油墨》項目開發,攻關石墨烯及納米材料應用技術。團隊依托沈陽院—英國利茲聯合實驗室平臺,著眼于導電材料配方設計、分析、測試、工業放大和商業推廣,確立三個技術突破點:一是與所有已經商品化的導電油墨相比,耐折耐洗性能更好,使用壽命更長;二是與已有傳統油性導電油墨相比,VOC更低,更安全環保;三是成本比銀導電油墨更低,適合大批量生產。

性能指標引領研發新高度

導電油墨由導電填料、黏合劑、溶劑以及添加劑等組成,是用導電材料分散在連結料中制成的糊狀油墨。項目伊始,魏峰團隊就以前瞻性眼光,確立把綠色環保元素融入項目全過程的研發思路,運用清潔技術開發水性碳系導電油墨。

起初,團隊利用已有技術儲備,采用水性聚氨酯分散體開發導電油墨。多次試驗結果顯示,雖然這種導電油墨印刷在紡織品上導電性能良好,但是耐洗性都沒能達到洗滌20次,而且印刷電路手感偏硬,耐折性能較差,根本無法應用在智能紡織品上。

出師不利,魏峰決定推倒重來。針對耐洗性能差問題,團隊經過多次試驗論證,決定用超柔軟聚丙烯酸乳液、有機硅水性分散體作為基礎樹脂,以替代水性聚氨酯分散體。讓團隊倍感振奮的是,用這種方法制作的印刷電路不但柔軟性好,而且對基材附著力強,能夠大幅度改善耐洗耐折性能。

魏峰帶領研發人員乘勢前進,采用高品質石墨烯作為導電材料,配合導電碳黑和石墨粉,先后設計出數百個配方,經過上千次試驗,終于開發出高導電性油墨配方,研制出具有商業推廣價值的水性碳系導電油墨。這種導電油墨可以利用絲網印刷技術在紡織品上印刷導電電路,只需印刷薄薄一層即可滿足要求。試驗結果表明,導電電路經過50次水洗后導電性能依然良好,并且順利通過了180°反復折疊的耐折性能測試。同時,針對導電油墨使用過程中紡織品因高溫烘烤容易變色問題,團隊研制出低溫交聯劑,將涂層固化溫度降低到80℃,為產品工業化生產掃清了技術障礙。技術開發過程中,團隊還申請了4項發明專利。

市場前景拓展研發新領域

從智能手機到智能手表,從智能冰箱到智能汽車……如今,“智能”正不斷嵌入人們日常生活的方方面面。用科技實現衣食住行智能化,無疑成為人民群眾日益增長的美好生活需求的重要組成部分。

作為化工新材料追夢人,團隊在前期研發成果基礎上,又開發出水性石墨烯電磁屏蔽涂料,成果已開始商業化推廣。這種涂料可廣泛應用于電磁屏蔽服裝、屏蔽布、屏蔽手機套,其耐洗耐折性能比銀、銅、不銹鋼絲混紡布料更強,使用壽命也更長;還可涂刷在建筑墻體表面,應用于軍事指揮中心、大型計算機中心等重要場所,發揮電磁屏蔽功能,防止重要信息泄露。團隊還致力于開發具有防腐抗靜電功能的水性石墨烯導電涂料,用于油品、化學品、煤氣、天然氣等儲罐表面涂刷,以及加油站及重點保護建筑物表面涂刷,確保安全。

在魏峰團隊的科研視野里,新時代是智能科技的時代,更是納米技術的時代。魏峰介紹說,全球智能紡織品產值預計2020年將達50億美元。石墨烯及納米材料作為很有前途的新材料,在智能紡織品、鋰電池、屏蔽材料、功能涂料(油墨)、柔性顯示、射頻識別、復合材料、導熱材料等領域均顯示出良好的應用前景。

“石墨烯及納米材料應用還處于起步階段,隨著國家環保政策要求日益嚴格,這種綠色環保產品必將得到進一步重視。”魏峰信心滿滿地說,“作為美好生活不可或缺的一部分,石墨烯及納米材料應用技術的市場和前景不可限量。”

作者:沈陽化工研究院/周傳明

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