绿能嘉业总裁王敏登上《新材料产业杂志》,探索石墨烯产业多元化发展
发布时间:2018-09-14 18:29:19| 浏览次数:

文/丁雪老师

石墨烯被称之为“工业味精”,是新材料领域里的明星。石墨烯是新型碳纳米材料,在电子器件、光学器件、柔性电子、先进电池等领域具有重要应用前景,为探求石墨烯在多种领域的应用情况,本刊记者采访了北京绿能嘉业新能源有限公司总裁王敏。


一、自主研发核心高新技术 扩大产品应用范围

北京绿能嘉业新能源有限公司(简称“绿能嘉业”)成立于2014年,在河北省沧州高新区、河北省衡水市枣强县、江苏省镇江市丹徒区建立了5个品类超过3万m2的生产基地,主要从事石墨烯水性碳纳米发热材料的研发、生产和销售,主要产品是石墨烯远红外取暖器。绿能嘉业,在2017年10月25日获得高新技术企业证书,同年年底在北京股交所四板科创板挂牌上市。王敏谈到,能让公司一直前行,在市场竞争中脱颖而出,是公司拥有了独立的知识产权,并掌握了石墨烯材料及应用领域的几项关键技术。

01

石墨烯水溶液分散技术

将石墨烯与水性高分子树脂复合制备水性石墨烯导电涂层材料,用于电加热领域,节能环保。通过改性及表面处理技术改善了石墨烯的水溶性问题,解决纳米导电微粒与水性树脂相容性的问题;结合超声、机械搅拌、离心3种分散方法,解决了石墨烯在水性高分子树脂中的分散问题;同时加入高效润湿分散剂和稳定剂,提高了产品的稳定性。石墨烯微粒与水性树脂完全融合到一起,也将涂料与基材完全结合,形成致密涂层,解决了现有产品附着力差、发热温度不高、耐热性差、容易老化的缺点,为该类材料能够实际应用提供了理论基础及实践基础。

02

石墨烯碳纤维复合技术

石墨烯碳纤维材料是通过合金活性助剂的催化作用,将多碳裂解气在较低温度下裂解,利用碳纤维层间大孔缺陷作为石墨烯CVD生长空间,并在碳纤维层间缺陷边缘优先沉积,最终实现石墨烯在碳纤维层间原位生长复合,改善纤维的层间结构,提高材料的导电、导热等性能。在电热板的应用领域,利用石墨烯碳纤维的良好性能,能大幅提升电热板的电热辐射转换率,故此石墨烯碳纤维电热板极大提高电能有效利用率。

03

石墨烯产品应用

采用石墨烯水性碳纳米技术制备的发热体,不仅包括电热膜、电加热壁画,还包括电加热布、电加热墙纸等产品;并且产品通电电压从12~220V、发热温度从10~100℃可调;可以满足不同场所、场合需求。

据王敏介绍,绿能嘉业利用石墨烯的优异导电性能以及高透光率,在多种基体例如高分子材料,玻璃上制备透明导电薄膜,该薄膜可以在低电压下(5~12V)迅速升温,起到对基体的除雾效果,可对镜面视野前基体进行除雾处理,该技术可有效提升汽车后挡风玻璃的除雾效率和综合性能,目前已经跟中国宇航员中心签署合作协议,取得突破性进展。

1.农业温室光谱大棚

可控光谱植物种植大棚采用太阳光伏能源技术、锂电池储能技术结合石墨烯远红外加热系统,在不增加碳排放前提下促进农作物改善品质,增加收成。可控光谱植物种植大棚是依据植物生理代谢,不同光照序列、不同光质的作用机理创新设计的新型蔬菜、药材、花卉、水果、种苗种植大棚。目前已经在湖南省湘潭市蔬菜种苗中心大棚得到了应用。企业通过走访了解,使用绿能嘉业石墨烯远红外暖金刚,解决了反季节冻害难题,缩短了种苗培育时间,增长18%出苗率,减少病虫害,真正做到恒温、节能,净化供养水。

2.红外薄膜家用热水器

据介绍,红外薄膜家用热水器是以全新的热力学工作原理设计,以高比表面积的薄膜红外发射器作为施主,流过薄膜红外发射器的水膜为受主,薄膜红外发射器以 0.1w/cm2面载功率,使得红外薄膜与水膜的具备巨大的接触面,最大限度地提高红外能的热效率。

与现有储水式、即热式电热水采用电热丝发热机理相比,电热丝发热机理是通过电热丝电阻元件在通电后形成高温散发热量,通过传导传热来使周围的物体温度升高,这种方式的主要缺陷是电热管表面传热能力十分有限,导致热量利用率较低。而红外薄膜技术则是通过以热辐射的方式将电能直接在水中转化成热能,其热能利用率常常能达到甚至超过95%以上。红外薄膜家用热水器还消除了金属铝元素对热水的污染,在厨房洗涤用水专用系列,对老年痴呆症的减少发病具有重要的健康意义,据了解,绿能嘉业所制红外薄膜家用热水器属国内首创。

3.锂电池极片涂布涂层双效协同干燥系统

针对现有涂布机的涂布涂层的干燥方式上述缺陷,绿能嘉业创新一种石墨烯红外辐射传热、浓差扩散传质协同干燥技术,替代现有对流换热方式涂布机的涂布涂层干燥箱,红外辐射传热、浓差扩散传质协同性,突破了空气的定压比热仅为1kJ/(kg·℃),由于空气热容量小,故需要大风量循环,大风量循环,就需要大功率加热,才能将涂层浆料中湿份加热蒸发的缺陷,大风量循环,大功率加热缺陷被克服之后,不仅涂布机干燥系统节能显著,涂布机的废气排放环节的回收有机溶剂,也同时大幅度降低功率,原来处理风量16000~20000m3/h风量,降低至3000m3/h以下,耗电功率由32kW降低至11kW。改变了现有通过“由表及里”的传热途径,涂层浆料的深层及浅层同步获得有效传热,溶剂湿份的蒸发在深层及浅层同步,“瓤湿皮干”问题被克服,“瓤湿皮干”残留微量湿份引起电池内短路的危险源被消除。

4.石墨烯红外辐射薄膜加湿器

现有的加湿技术主要有电热加湿器,是利用电能对水加热,使加热的沸腾产生蒸汽,汽化的水分子进入空气中加湿。喷雾加湿技术雾化态水滴,都需要吸收环境中的热量才能形成水蒸汽,加湿过程,水是以一种分子团或颗粒的形式在空气中飞扬,容易形成细菌的滋生源,这些微小水滴散落在灰尘、物品上,为各种微生物提供了繁殖条件,在温度适宜时快速的繁殖,老人与儿童等体弱人群,吸入后容易感染。

红外辐射加湿技术,是水分子吸收红外波的能量之后直接引起分子震荡伴随着温升,继而水分子汽化,红外波长的能量被水分子吸收之后,破坏了水的表面张力,水的表面张力被破坏与此同时红外能量在水分子中形成震荡起到协同效果,这使得水分子更容易蒸发。这是红外加湿的响应速度快动力学机制。红外加湿器属于强制蒸发,蒸发不依赖水沸腾,由于较低的蒸发温度,能较少蒸汽冷凝效应,属于快速响应加湿技术。

二、从百姓需求入手 用专业惠及民生

从2012年,我国陆续发布了20余条国家层面相关政策扶持石墨烯产业。2017年12月北京市市委、市政府发布《加快科技创新构建高精尖经济结构》的系列文件,包括新一代信息技术产业、集成电路产业等10个高精尖产业,从总体要求、重要任务、产业布局、保障措施等方面,在顶层设计上对建设十个高精尖产业提出了指导意见,对北京制造企业分类引导,加大力度推进“关停淘汰一批、疏解转移一批和改造升级一批”,推动传统制造企业“转领域、转空间、转动力”,重构产业链,以退促进,释放产能。石墨烯技术是北京市实施战略性新兴产业集群创新引领工程重点支持的重大前沿关键技术。绿能嘉业的发展也得到了北京市政府领导的重视与支持,先后得到北京市科委先导与优势材料发展基金,并与北京石墨烯研究院共同研发课题。为了更好的满足客户需求,回馈社会,绿能嘉业提出了“用石墨烯温暖千家万户”的口号,目前公司承载的2个项目,也是政府惠民生示范工程的重要分支。

01

“煤改电”工程

绿能嘉业开发出“石墨烯远红外墙裙板”,面向如城中村、城乡结合部和农村地区没有供暖的区域,用来替代煤炭采暖。该产品安装方便,能耗较低,使用便利,不占用室内空间,而且还起到了装饰性作用,在用户的实际使用中得到了良好的反馈。同时还开发出“石墨烯远红外炕暖板”,该产品用于农村地区无煤无烟的最后环节的改造,用其取代了原来用煤或者柴来烧炕取暖,完全用电来取暖,产品采用远红外光热取暖,就像沐浴在太阳光下一样,非常的舒适,很好地解决了老百姓冬季烧炕污染的问题。

绿能嘉业公司石墨烯电取暖产品已在煤改电工程中大规模使用,目前已在中国北方地区完成煤改电30000余户,其中北京顺义区、延庆区完成“煤改电”改造2000户、河北沧州“煤改电”11500户,陕西省宝鸡市“煤改电”11000户;北京市顺义区“炕改暖”10000户,甘肃省武威市“炕改暖”1500户;在南方地区完成家居供暖安装20000余户,合同额3亿元。


02

石墨烯采暖助力第5次公厕革命

“十三五”规划中,北京开启第5次公厕革命。5年间,北京将对全市1.9万余个公厕进行改造提升,“以固定式、附建式公厕为主,社会单位公厕对外开放为辅,移动公厕拾遗补缺”为目标,消灭3类以下公厕,街巷胡同、城乡接合部及农村等平房区公厕得到全面提升,拥有一批智能、节水、节能,资源循环利用的新型公厕,除臭、无障碍等人性化功能基本实现,餐饮行业厕所对外开放,交通、旅游、园林及铁路系统公厕服务显著提升等。

公厕革命要求:出现一批“集科技、基本公共服务、景观建设为一体”的精品公厕,明年起至2020年,各区每年都要打造5~10座精品公厕。针对公厕场景应用的需求,绿能嘉业开发出来的一款产品,研制防水、防漏电、防凝露、防盐雾的石墨烯远红外厕所专用采暖板作为特殊场景供暖方式的专用产品(图2),具有远红外采暖、恒温可调、单块可控、经济、舒适、寿命长、安全免维修等优点,是节能、舒适、无污染的绿色环保产品。厕所专用石墨烯远红外采暖板采用顶棚采暖式或者墙面采暖式;隔热材料选用聚氨酯(复合铝塑反射膜、聚氨酯闭孔发泡隔热、水密性封装外壳、耐水硅氧酮密封胶全密封),该供暖系统采用顶棚采暖或墙面采暖,发热面积大、热场均匀、温度效果好、节约能源、不消耗室内氧气、无燥热感、远红外线充沛、不向大气排放污染物、健康环保。

03

应用场景引领研发革命 未来布局新能源领域

王敏谈到,创业至今,幸运之牌似乎一直攥在绿能嘉业手里,在企业不断发展过程中,也总能捕捉市场先机,拥有大量订单,使企业营业额以几何倍数增长。但究其背后原因,是不忘初心、牢记使命创业信念。企业更多是从客户角度想问题,所制产品性能过硬、满足客户需求。石墨烯这个行业发展很快,必然会出现泥沙剧下的情况,也会出现鱼龙混杂的现象,影响到行业的健康、可持续发展。为企业长期发展,绿能嘉业研发出热耦合抗低温锂离子电池,布局新能源领域。目前已获得国家专利。该电池克服低温缺陷,采用创新设计理念,运用先进的配方体系和材料,严谨的工艺制造流程与方法克服多个技术瓶颈,开发出低温锂电池系列产品。在单兵作战、动力装甲、通讯设备等方面有着至关重要的应用,目前经过测试,产品在节能环保、能量存储等方面表现良好,并拟于年底投入生产。

石墨烯产业是新型产业,是北京市发展支持的高精尖项目,高新技术产业的高地,必将成为北京市高新技术产业中一张重要的名片。现代科技进步是经济发展的强大动力,王敏谈到,未来企业将更多投入资金致力于研发、生产,进而带动石墨烯上下游领域协同发展,使“新材料之王”不再只停留于实验室,更多地服务于寻常百姓。

 
 
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