水性石墨烯涂料在發(fā)熱膜產(chǎn)業(yè)的突破

薛 檸

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 研究源起

1.1 研究背景

全世界石墨烯產(chǎn)品的商業(yè)化。由中國(guó)展望產(chǎn)業(yè)研究院推出的《2018-2023 年中國(guó)石墨烯領(lǐng)域深層市場(chǎng)調(diào)查與項(xiàng)目投資戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)分析報(bào)告》中提到：

第一，有關(guān)的新產(chǎn)品運(yùn)用普及性，隨著石墨烯科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及新的產(chǎn)品工藝的更新，換代升級(jí)將逐步實(shí)現(xiàn)。

第二，因其優(yōu)異的功能在光電子現(xiàn)代信息技術(shù)、新型材料、新型能源技術(shù)、生態(tài)材料、生態(tài)環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛能和顛覆性轉(zhuǎn)型，世界各地的跨國(guó)公司也相繼投入重金資源進(jìn)行石墨烯的技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)制造與應(yīng)用，以期占據(jù)行業(yè)主陣地。

第三，在將來(lái)5 至10 年內(nèi)，伴隨著石墨烯行業(yè)成長(zhǎng)階段的加快及其呈現(xiàn)價(jià)格的飆漲，全球各地政府部門(mén)將會(huì)繼續(xù)加大對(duì)石墨烯中下游運(yùn)用的財(cái)政扶持，以推動(dòng)石墨烯行業(yè)發(fā)展。

1.2 國(guó)家政策

近年來(lái)，工業(yè)的大力發(fā)展，某些工業(yè)的機(jī)械化并沒(méi)有達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致環(huán)境的嚴(yán)重污染，霧霾等現(xiàn)象更是“家常便飯”。在“十四五”的規(guī)劃中環(huán)境發(fā)展成為最重要的部分，因此，很多工廠的環(huán)境要求不達(dá)標(biāo)從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)型。石墨烯類(lèi)工廠生產(chǎn)主要是油性的石墨烯，對(duì)于環(huán)境的危害很大。[1]現(xiàn)在市面上各種關(guān)于石墨烯的產(chǎn)品騰空出世，所以轉(zhuǎn)型成為重中之重。中國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)已被列入《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和“中國(guó)制造2025”重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，表明政府已經(jīng)意識(shí)到未來(lái)石墨烯產(chǎn)業(yè)會(huì)給中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，已經(jīng)看到了我國(guó)石墨烯領(lǐng)域的研究水平在國(guó)際上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)，回應(yīng)了國(guó)家發(fā)改委“清潔取暖”的呼吁，中央部委、各地一系列“煤改氣”現(xiàn)行政策也陸續(xù)頒布，推動(dòng)采暖電力能源清潔化，拉響“大氣污染防治”。

1.3 市場(chǎng)背景

我國(guó)南方的冷冬剛性需求。國(guó)務(wù)院辦公廳國(guó)資委主任肖亞慶于2019 年2 月“亞布力中國(guó)企業(yè)家論壇第十九屆企業(yè)年會(huì)”中明確提出，“中國(guó)的采暖并不是以溫度來(lái)決策的，是以地區(qū)來(lái)決策的，淮河以南僅有很少采暖，隨著大家追求完美幸福生活的心愿、規(guī)定看來(lái)，這一發(fā)展?jié)摿蚴菢O大的。”

1.從人們追求完美幸福生活的需求來(lái)看，我國(guó)沿海城市采暖消費(fèi)潛力巨大。

2.從家中的能效等級(jí)考慮，落地采暖比較經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)保節(jié)能，而且中央空調(diào)的供暖功率也很大。

3.比照其他的傳統(tǒng)采暖方式，石墨烯發(fā)熱膜采暖更加方便、舒適、健康、隔音。

2 研究意義

截至2022 年底，我國(guó)北方地區(qū)采暖面積約238 億平方米，其中燃煤采暖面積約占百分之八十三，采暖用燃煤年耗能約四億噸標(biāo)煤，而散燒煤（包括低效小鍋爐用燃煤）約2 億噸標(biāo)煤，且大多散布于鄉(xiāng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)。同1 萬(wàn)噸燃煤，散燒煤產(chǎn)生的大氣污染物總量約是普通燃煤電廠的十倍以上，因此散燒煤供暖已經(jīng)成為我國(guó)北方地區(qū)冬季霧霾的主要問(wèn)題之一，所以利用電力清潔燃料供暖已經(jīng)刻不容緩。而石墨烯則因其綠色環(huán)保、低碳節(jié)能減排的特性，已經(jīng)成為促進(jìn)我國(guó)“大氣污染防治”工作的中堅(jiān)力量。促進(jìn)石墨烯取暖協(xié)同促進(jìn)減碳、降污、擴(kuò)綠、平衡發(fā)展，推動(dòng)環(huán)境先行、節(jié)能集約、綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，逐步建立節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的城市空間布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生活方式、社會(huì)發(fā)展模式，推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展向全面現(xiàn)代化的目標(biāo)轉(zhuǎn)變。

3 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜本質(zhì)

利用依托于水性溶劑的傳統(tǒng)石墨烯工藝制造發(fā)熱薄膜材料，用水性溶劑代替油性溶劑，可有效減少傳統(tǒng)石墨烯所產(chǎn)生的甲苯等熱毒害物質(zhì)的危險(xiǎn)，更符合行業(yè)對(duì)安全性能的要求，同時(shí)運(yùn)用水性優(yōu)勢(shì)解決了工藝條件的缺陷，能在濕表面的潮濕條件中施工，產(chǎn)生了良好的熱防護(hù)力、耐腐蝕性。涂裝工具可直接加水沖洗，以大大減少清潔溶劑的損耗，從而有效節(jié)約資源。

4 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜產(chǎn)品分析

4.1 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜技術(shù)介紹

4.1.1 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜的技術(shù)來(lái)源及先進(jìn)性說(shuō)明

石墨烯是一種完美排列的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)便震驚了科學(xué)界，被材料科學(xué)家們稱(chēng)為“黑金”。[2]但傳統(tǒng)的石墨烯依托油性溶劑含有大量的苯類(lèi)毒性物質(zhì)，在加工、使用乃至消解過(guò)程中對(duì)人體、環(huán)境等都存在著極大的安全隱患。本項(xiàng)目所采用技術(shù)為水性溶劑石墨烯技術(shù)，由揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院自主研發(fā)而成，屬于專(zhuān)利技術(shù)。水性涂料石墨烯發(fā)熱膜無(wú)毒無(wú)味，安全環(huán)保，且延續(xù)了傳統(tǒng)石墨烯的優(yōu)點(diǎn)，滿足人們對(duì)于環(huán)保性、安全性的需求。

4.1.2 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

1.安全：因?yàn)槠胀ㄊ┲饕褂糜托越橘|(zhì)且含苯類(lèi)的危險(xiǎn)物質(zhì)較高，故而產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的刺鼻氣味，且長(zhǎng)期應(yīng)用后會(huì)有有害物質(zhì)大量緩釋揮發(fā)，對(duì)人體產(chǎn)生不好的影響。水性涂料石墨烯發(fā)熱膜采用水性溶劑，不含有害致癌物質(zhì)，無(wú)毒無(wú)味，多重保護(hù)，安全無(wú)憂。

2.節(jié)能：采用水性涂料石墨烯導(dǎo)熱層制作的導(dǎo)熱制品比較常規(guī)的石墨烯導(dǎo)熱層制作的導(dǎo)熱制品，能夠降低百分之二十以下的燃料消耗量，石墨烯導(dǎo)熱制品通過(guò)室內(nèi)設(shè)置的高溫傳感器，依據(jù)調(diào)整室內(nèi)環(huán)境溫度并保持勻速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到高品質(zhì)節(jié)能實(shí)際效果。

3.環(huán)保：利用石墨烯導(dǎo)熱膜生產(chǎn)的卡能地暖及導(dǎo)熱制品，無(wú)粉煤灰、塵埃、點(diǎn)燃等有機(jī)垃圾及自然環(huán)境氣體污染物，無(wú)廢氣，無(wú)水污染，無(wú)熱空氣及對(duì)流所產(chǎn)生的粉塵漂浮，使用高水性涂料溶劑，節(jié)約環(huán)境資源，減少大氣污染，減少了一氧化碳死亡的危害，更符合現(xiàn)代化城市環(huán)境的要求。

4.高效耐用：水性涂料石墨烯發(fā)熱膜的電熱轉(zhuǎn)化效率高，發(fā)熱面積大，熱交換效率高，導(dǎo)熱性良好，發(fā)熱快且均勻，升溫快且水性涂料石墨烯發(fā)熱膜的使用壽命長(zhǎng)達(dá)30 年，十分耐用。

5.時(shí)間長(zhǎng)：由于投資較少，施工效率高，投資也相對(duì)少，水表面張力好，對(duì)漆膜附著力較強(qiáng)，因此采用了少量的低毒性醇醚類(lèi)等有機(jī)溶劑，有效改善了施工條件，實(shí)現(xiàn)即裝即用，而且完全采用了水性溶劑，施工便捷、簡(jiǎn)單方便操作。

6.健康理療：石墨烯電熱膜能夠在通電后，直接通過(guò)遠(yuǎn)紅外的形式對(duì)外輻射波長(zhǎng)5～12um 的紫外線，剛好可以被人體所接受，給人體提供大量熱能，有利于提高血液循環(huán)。

7.發(fā)熱均勻：石墨烯材料具有超強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱性，其電熱轉(zhuǎn)化率超過(guò)百分之八十七，電熱轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)高于其他電器，在通電后的數(shù)十秒內(nèi)可以迅速發(fā)熱和均勻散熱。

4.2 水性涂料石墨烯發(fā)熱膜產(chǎn)品介紹

4.2.1 石墨烯發(fā)熱體——黑科技的升級(jí)與應(yīng)用

石墨烯作為近年來(lái)備受關(guān)注的新型材料，應(yīng)用前景十分廣闊。利用石墨烯的特性，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)業(yè)、軍工產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域都將迎來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。[3]隨著近幾年的技術(shù)整合沉淀，石墨烯導(dǎo)熱體也逐漸被加入家居采暖領(lǐng)域中，而全新的石墨烯導(dǎo)熱膜也迅速流行并推廣開(kāi)來(lái)。傳統(tǒng)石墨烯在發(fā)熱膜生產(chǎn)中大顯身手，但同時(shí)也暴露出技術(shù)上的許多問(wèn)題。而我們的項(xiàng)目正是在傳統(tǒng)石墨烯的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究，開(kāi)發(fā)出了依托水性溶劑的新型石墨烯發(fā)熱體。在延續(xù)傳統(tǒng)石墨烯一切效能的同時(shí)改進(jìn)了其缺陷和不足，降低了安全隱患，提高了使用效能，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的美好愿景，滿足客戶對(duì)于安全性、環(huán)保性、舒適性的需要。

4.2.2 均勻速熱——承包冬天的所有溫暖

石墨烯地?zé)崮ず统Ｒ?guī)地?zé)崮ひ粯有枰娚郎兀?dāng)石墨烯地?zé)崮ざ穗姌O全部接通的情況下，由于地?zé)崮ど系奶荚貓F(tuán)原子在電流中產(chǎn)生了大量聲子、離子和電子，產(chǎn)生的碳元素團(tuán)原子彼此摩擦、碰撞(也稱(chēng)布朗運(yùn)動(dòng))從而產(chǎn)生了巨大熱能。另外，又因?yàn)槭┍∧ぞ哂袃?yōu)異的引腳導(dǎo)熱性能，可在接通后幾十秒內(nèi)迅速升溫，將熱量均勻發(fā)散，使整體室內(nèi)加熱至最適合人身體的溫度，只需要十五分鐘。傳統(tǒng)水暖的正常使用至少要六個(gè)小時(shí)的加熱時(shí)間，和常規(guī)電暖的加熱時(shí)間相對(duì)比，石墨烯薄膜效果明顯提升，更順應(yīng)了中醫(yī)學(xué)的“足熱而頂涼”的原理，讓溫暖由腳下自然而來(lái)。均勻恒溫的加熱，使體感更加舒服，安全省電無(wú)輻射。

4.2.3 高智能化——分區(qū)控溫，省電省錢(qián)

石墨烯智能供暖系統(tǒng)由溫控器控制溫度，根據(jù)所設(shè)定的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。待環(huán)境溫度上升至設(shè)定值時(shí)，溫控儀會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)供電，智能控溫，節(jié)能省電。而且，石墨烯智能供暖系統(tǒng)還可適應(yīng)各類(lèi)使用者的需要，可分室、分戶、分個(gè)單位或樓層進(jìn)行計(jì)算。

4.2.4 健康小衛(wèi)士——安全環(huán)保，呵護(hù)健康生活

依托石墨烯專(zhuān)利技術(shù)，降低苯類(lèi)毒性物質(zhì)等安全隱患，減少大氣污染，減少清洗溶劑的消耗，節(jié)約資源，節(jié)能省電，有利于保護(hù)環(huán)境。在通電過(guò)程中，其所輻射出的5～12um 的遠(yuǎn)紅外光波，是目前各種已知物質(zhì)中和人類(lèi)身體細(xì)胞的遠(yuǎn)紅外光波最為相似的物質(zhì)，它還可以和人身體細(xì)胞的水分子形成“有益”的共鳴，具有減輕人身體疲勞、促進(jìn)血液循環(huán)、增強(qiáng)人體抵抗力和提高新陳代謝的理療效果。

4.2.5 方便快捷——簡(jiǎn)易安裝

石墨烯地?zé)崮ぶ械氖﹩螌雍穸燃s為0.334nm，僅為普通紙張的十萬(wàn)分之一，肉眼幾乎看不見(jiàn)。施工時(shí)不受周?chē)ㄖ锔叩偷母蓴_，不浪費(fèi)層高和額外空間，同時(shí)施工方式簡(jiǎn)單簡(jiǎn)便，即裝即用。

4.2.6 安全可靠——防水耐壓，綠色環(huán)保

石墨烯地?zé)崮な乾F(xiàn)有地?zé)崮ぶ械母邩?biāo)準(zhǔn)地?zé)崮?。它無(wú)異味，還不會(huì)產(chǎn)生有害氣體。有溫度探頭檢測(cè)防止?fàn)C傷，有PVC 全密閉絕緣封套防止漏電情況的發(fā)生，它還擁有IPX8 的防水等級(jí)，使用時(shí)房間內(nèi)無(wú)排放、無(wú)灰塵、無(wú)噪聲、不干燥。

5 水性石墨烯涂料在發(fā)熱膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及建議

5.1 完善有關(guān)政策

政府應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的政策法規(guī)扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)和水性石墨烯涂料等新技術(shù)的發(fā)展。建立實(shí)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)規(guī)范。完善生命健康商品與服務(wù)價(jià)值的形成機(jī)制，積極開(kāi)展行業(yè)發(fā)展調(diào)查統(tǒng)計(jì)與研究。同時(shí)，也要注重對(duì)創(chuàng)新科技發(fā)展的管理與指導(dǎo)等工作。企業(yè)扶持政策上做好分類(lèi)分層，統(tǒng)籌兼顧，有所保留、激發(fā)導(dǎo)向性企業(yè)的成長(zhǎng)。

5.2 改善產(chǎn)業(yè)環(huán)境

石墨烯發(fā)熱膜產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)科學(xué)有序發(fā)展，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)境。通過(guò)倡導(dǎo)市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)，提升服務(wù)質(zhì)量，遏制惡性、非法競(jìng)爭(zhēng)等，積極促進(jìn)石墨烯發(fā)熱膜行業(yè)的良性發(fā)展，積極保護(hù)創(chuàng)新材料——高水性石墨烯材料，積極加速推進(jìn)科技要素的市場(chǎng)化分配制度，努力研究并全面建立適應(yīng)新時(shí)代科技發(fā)展要求的現(xiàn)代科技要素創(chuàng)新機(jī)制，提高國(guó)家科技創(chuàng)新供給能力、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量增長(zhǎng)。

5.3 整合資源優(yōu)勢(shì)

整合貫通石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈，需要將石墨烯生產(chǎn)企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)和使用企業(yè)資源整合，形成產(chǎn)學(xué)研用一體化平臺(tái)，多渠道協(xié)同推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，逐步形成石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)和高端化技術(shù)示范線。[4]

5.4 加大技術(shù)創(chuàng)新力度

加大水性石墨烯涂料的技術(shù)投資，緊密結(jié)合綠色環(huán)保的發(fā)展定位，通過(guò)深入調(diào)研，逐漸發(fā)展貼合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品品類(lèi)。同時(shí)，要注重對(duì)新技術(shù)研發(fā)的管理和引導(dǎo)工作。加強(qiáng)在石墨烯發(fā)熱膜領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，通過(guò)引導(dǎo)重點(diǎn)企業(yè)與高等院校和科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)合培育關(guān)鍵人才，有效集成我國(guó)在石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上下游、產(chǎn)學(xué)研用方面的優(yōu)勢(shì)資源，通過(guò)引導(dǎo)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)企業(yè)與高等學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)合作促進(jìn)設(shè)備、人員、產(chǎn)品等生產(chǎn)要素的合理配置，并針對(duì)石墨烯生產(chǎn)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的核心技術(shù)進(jìn)行深入合作，形成了一大批石墨烯大規(guī)模制造的高端化應(yīng)用示范線。

5.5 創(chuàng)新品牌營(yíng)銷(xiāo)

水性涂料石墨烯發(fā)熱膜產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中心應(yīng)抓住“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)展契機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展多樣化的宣傳,讓更多的用戶了解水性涂料石墨烯發(fā)熱膜產(chǎn)品。一是建立功能齊全的官方網(wǎng)站，根據(jù)用戶需求及時(shí)發(fā)布信息及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等。二是與電子商務(wù)公司聯(lián)合，利用電子商務(wù)渠道建立旗艦店和自營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，著力打造個(gè)性化定制商品，以迎合消費(fèi)者的個(gè)性化要求。三是運(yùn)用社交互聯(lián)網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)。