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21世纪将成为“石墨烯时代”
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2016/7/25 15:33:47
  两位英国物理学家通过一种简单的方法从石墨中分离出单层石墨,即石墨烯,并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。自此,石墨烯引起广泛关注。
  

  石墨烯是由二维单层碳原子组成的六角晶格物质(图1),正因为其兼具高强度、极佳柔韧性、良好的热电导电性及透光性等优异的性能而赢得了"最完美材料"的美誉,许多人还认为21世纪将成为"石墨烯时代"。


  

  图1  石墨烯有"最完美材料"之美誉
  
  "神奇材料"石墨烯
  
  20世纪时期,大量新的纺织聚合物材料、化学物质和生产制造方法接踵而至,直到2005年,世界贸易组织(WTO)取消了纺织品的关税制度和生产制造商的低价竞争导致消费纺织品的研发动力不足。
  
  如今,纺织品创新的主要驱动力来自工业领域。功能纺织品、防护纺织品、智能纺织品和生态纺织品相继推出,其中有些产品最终以其独特方式进入主流产品之列。
  
  石墨烯是以蜂窝状矩阵排列的碳原子微观层片状结构材料,厚度约为0.3nm,已经在科学界引起了全民想象。据介绍,这是一种比钢的强度更高,同时具有更好的柔韧性的材料,它是一种极佳的热和电的导体材料,具有防静电和抑菌性能,属于自灭性材料,连气体都无法对其渗透,但是其表面积大,因而使其成为一种高效吸附材料。


  图2
  
  近来,出现的石墨烯产品系列--G+系列产品,主要基于可用作色母粒和高纯度的石墨烯纳米片涂料的产品(如图2所示),Zapp G+产品相比传统的添加剂,以颗粒形式极大地促进了石墨烯纳米薄片的最终产品的复合,并确保能够更快地分散和分布。如图3所示,PASTE G+是高纯度石墨烯纳米片水性涂层,其中原始石墨烯纳米片含量高达35%,而且没有表面活性剂。这种石墨烯结构具有高纵横比,是一种超细片状形态,而单片的横向尺寸约为10μm。制备过程中不涉及氧化处理,这样就保留了石墨烯的优良属性。


  图3
  
  最受欢迎的石墨烯生长方法是化学气相沉积法(CVD),沉积物加热气体到基底材料上,如铜箔或硅片。之后固化的石墨烯单层必须从基底材料上剥离下来,而基底材料可以通过蚀刻或溶解的方式除掉。
  
  采用CVD方法生产石墨烯存在几个问题,包括:基底材料的涂层速度偏慢、在分离过程中石墨烯单层遭到破坏的可能性以及生产过程中产生的毒性副产物。
  
  相比较而言,采用G+生产方法的话,原料从天然石墨(以工业规模广泛普及)开始,通过采用拥有专利的超级膨胀技术 (膨胀比大于300),我们可以片状剥落小包装的厚度为 2?4nm的石墨烯纳米薄片。这是一种低成本、高收益的生产方法。
  
  石墨烯+系列产品已经在自行车胎环和轮胎、高功率发光二极管的热传导硅片中得到商业应用,并且作为可回收的"超级海绵"吸附有机污染物。
  
  2018年,石墨烯市场产值可达到100亿美元,应用领域包括射频识别(RFID)、超级电容器和复合材料。
  
  石墨烯与智能纺织品
  
  采用石墨烯开发导电纤维用于智能纺织品,一直被视作是石墨烯商业化和可穿戴技术的"杀手锏"。来自埃克塞特大学石墨烯科学研究中心、系统工程和计算机研究所、里斯本的微系统和纳米科技公司(INESC-MN)、里斯本大学、葡萄牙的阿威罗及比利时的纺织研究中心(CenTexBel)的国际科学家团队,最近在科学报告上发表了一项研究声称他们已经开发出一种技术,可以将透明、柔性的石墨烯电极嵌入到纺织纤维中。
  
  根据该报告内容,石墨烯是在铜箔上以CVD法生长,然后转成聚丙烯纤维。
  
  来自阿威罗大学的Helena Alves博士是这个科学家团队的队长,他在工程技术杂志的采访中提出,可穿戴式技术概念时新兴概念,但是能够全纺织嵌入的极薄技术和柔性技术目前根本不存在。因此,工艺及纺织品中石墨烯的一体化工程的发展将产生一个新的石墨烯的商业应用领域。
  
  石墨烯+产品用于运动服装,也是G+纺织产品首次进入市场,成为这个领域的里程碑,同时也开拓了巨大的商机,他相信这将是世界运动服装领域和纺织工业领域共同发生的变革。含有石墨烯的运动服装与传统运动服相比,关键区别在于它可以成为人体和外部环境的过滤器,确保穿着者能保持理想的温度。它应用了智能纤维,使得服装舒适度得到提升。穿上G+运动服后,人体产生的热量会消散在温暖的环境中,而在寒冷的环境中会进行均匀分布。此外,由经G+处理过的纺织品具有防静电和抑菌的功效,它们可以降低空气与水之间的摩擦,提高运动性能。


  图 4 G+运动服装
  
  昙花一现还是长远发展?
  
  虽然在学术界和实验室研究工作上,石墨烯是前途光明的,但是要实现石墨烯在消费纺织品中的应用似乎仍有很长的路要走。然而,成功的商业化不仅取决于一个杀手锏式的应用,也要求有一种低成本的、能够提供合适类型的石墨烯的弹性供应方式。
  
  石墨烯是一种研究性极强的多用途物质,可能给我们生活的方方面面带来革命:如用来生产防水膜以解决全球水资源短缺问题;取代当前电子产品中的硅,以更小的体积提供更强的性能;开发下一代能源解决方案,如太阳能电池或几分钟即可充满的手机电池;赋予传统纺织品各种理想性能后引发纺织领域创新革命。
  

  此外,石墨烯还可应用于生物医疗领域,如药物传送、癌症治疗和生物传感等,目前研究人员已经在进行相关研究。石墨烯拥有更大的表面积、生物适应性和化学稳定性等诸多的独特属性,使得石墨烯具有极大的研究潜力,并被给予厚望。