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高烯科技:十年磨一线 拥抱石墨烯“1+N”

2020年10月15日 07:23   来源:央广网   

  2020年中国国际纺织纱线(秋冬)展览会上,杭州高烯科技有限公司展厅中的单层石墨烯多功能复合纤维令人印象深刻。从合成和证实存在到如今只有短短十几年的时间,但石墨烯凭借优异的力学、电学、热学、光学等性能及其潜在的应用价值和应用前景,已成为科研院所、企业等多年来研究与应用开发的热点。而高烯科技无疑是石墨烯研发之路上的领跑者,其团队十年磨一线,潜心钻研,突破了层层技术障碍,特别是解决了多项关键技术难题,建成单层氧化石墨烯自动化生产线,成功研制出了单层石墨烯多功能复合纤维并实现了量产。

  那么,石墨烯是什么?高烯科技的单层石墨烯多功能复合纤维是一种怎样的纤维?有何性能优势?其应用领域目前有哪些?从石墨烯到单层氧化石墨烯再到单层石墨烯多功能复合纤维量产,高烯科技研发团队解决了哪些技术难题?当前该纤维的产业化推进情况如何?高烯科技下一步还有怎样的发展规划?围绕这些问题,在本次秋冬纱线展期间,中国化学纤维工业协会组织多家行业、综合媒体等对杭州高烯科技有限公司总经理汪洋及研发中心副经理韩燚进行了专访。

  立足核心原料 拓展石墨烯“1+N型”产业链

  石墨烯是一种碳原子以sp?杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格排列的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和光电子器件等方面具有重要的应用前景,被誉为革命性的新材料。基于此,许多国家建立了石墨烯相关技术研发中心,尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利,并使其在未来可以从实验室进入生产线和市场。石墨烯也是我国重点支持的战略前沿和新兴材料产业,然而长期以来,高品质单层石墨烯粉体类原料无法量产,这使得石墨烯的诸多优异性能无法充分发挥,产业化之路困难重重。

  2008年,浙江大学高超课题组选择高分子基纳米化学与材料作为研究方向,聚焦于石墨烯的基础研究与应用开发。在研究中,高超课题组不断提升石墨烯宏观组装材料的电、热、力、光电、电磁屏蔽等性能。他们发现的石墨烯液晶现象,还打开了新的研究方向,凭借这一现象,他们找到了低成本制备单层石墨烯的捷径,突破了石墨烯工业化难题。

  2010年,高超课题组首次发表了把石墨烯与尼龙6进行原位聚合的文章,从此开启了石墨烯复合纤维的探索与实践之路。2016年,高超创立了杭州高烯科技有限公司,通过浙江大学专利转让及公司自研发的方式,致力于研发生产单层石墨烯及其宏观材料。

  完美结构的石墨烯不溶解、不浸润、不熔化,难以加工,在许多领域的应用受到限制。因此氧化石墨烯越来越受到重视。“单层氧化石墨烯是一种具有含氧官能团的单原子层二维大分子,一般经石墨氧化制得,通过化学和热还原,可以很方便地转变成石墨烯。尽管结构上存在缺陷,性能有所衰减,但氧化石墨烯可在水及极性有机溶剂中溶解或分散、可通过湿法加工成各种宏观材料、容易进行改性修饰掺杂、可以规模化生产、应用范围十分广泛。如氧化石墨烯直接与纤维、极性塑料、涂料、橡胶、陶瓷、金属等进行混合制备复合材料,可提高其强度、模量、抗紫外、抗腐蚀、耐磨损、远红外发射等性能;用于石墨烯改性纤维、膜,可获得兼具高导热、高导电与超柔性的电子产品;用于气凝胶,可获得超轻、高孔隙率、弹性产品等。”高烯科技研发中心副经理韩燚道出了单层氧化石墨烯的突出优点,这也正是高烯科技将研发生产的重点放在单层氧化石墨烯上的缘由。

  通过多年来不断的技术攻关与工艺优化,高烯科技突破了单层氧化石墨烯高质量宏量制备、单层氧化石墨烯粉体稳定制备、单层石墨烯粉体展开原位聚合技术、均匀分散、石墨烯复合纤维高速纺丝等数十道关键技术。2019年,高烯科技单层氧化石墨烯生产线试车成功,目前可实现年产10吨级生产规模。同时,在单层率高达99%的石墨烯原料稳定量产基础上,高烯科技突破了石墨烯多功能复合纤维的核心量产技术,开发出石墨烯锦纶、涤纶、氨纶、腈纶、粘胶纤维、莫代尔等多系列功能复合纤维。

  如今高烯科技已申请石墨烯领域专利三百多项,其中发明型专利占比80%以上;并以单层氧化石墨烯原料为核心,成功开发出石墨烯“1+N型”产业链技术及产品,如石墨烯多功能复合纤维、石墨烯电热膜、石墨烯导热膜等。此外,2020年,高烯科技全面启动石墨烯终端产品品牌——烯凤凰,单层石墨烯多功能袜、鞋,石墨烯远红外光灸毯均为烯凤凰品牌产品,本次秋冬纱线展上,这些产品均亮相高烯科技展厅,引来观众广泛关注。

  对此,韩燚特别感慨,“石墨烯做出来是重要一步,但怎么把它用出去更为重要,正是得益于国家对科创型企业的支持,得益于我国拥有相对完整的制造业产业链,我们在国内特别是长三角地区找到了大量敢于用我们石墨烯的企业,让我们的单层石墨烯能够尽其所用,用到了最能发挥其功能的纤维及其制品中。”

  在拓展产业链层面,高烯科技还做了一件大事,即携手北京石墨烯研究院有限公司、厦门大学石墨烯工程与产业研究院、深圳石墨烯创新中心有限公司等数十家产业链机构成立了石墨烯多功能复合纤维共同体研究院(简称GCI),研究院将在“石墨烯多功能复合纤维”产业体系建设,整合产业链的优势人才、技术及资源,集成“政产学研资用”等创新要素和资源要素等方面做出更大贡献,最终形成石墨烯原料--纤维--纱线--面料--终端产品的良性循环,引领共同体内成员的创新、创业和可持续发展。

  聚焦纤维功能 打造健康生活新方案

  纤维及其制品和人们的日常生活紧密相连。随着生活水平的不断提高,人们对“衣”的要求不断朝着舒适、美观、保健防护以及智能等更高要求和更高品质发展;人们对于居住环境的清洁、安全和环保要求亦与日俱增;特别是新冠病毒疫情过后,人们对健康与安全的需求更为迫切,加之新材料强国战略、全民健康战略、新兴消费群体兴起等大背景,功能性纤维及其制品将以除螨、防霉、抗病毒、阻燃、拒水拒油、防紫外线等一种或多种功能复合更好地满足人们对健康生活的需要。由此具有抑菌、防螨、抗静电、远红外、负离子、阻燃、生物安全等多种功能的石墨烯改性复合纤维的市场规模将迎来新的突破。

  高烯科技开发的单层石墨烯多功能复合纤维可谓恰逢其时,其由石墨烯与锦纶等聚合物基体进行原位聚合后纺丝制得,即把石墨烯作为一种功能性添加剂,添加到传统化学纤维中,基于石墨烯的优异性能,将传统纤维材料制成更符合消费者需求的功能性纤维。韩燚谈到,“实际上,原位聚合的工艺从实验室走向生产、走向市场,是一条荆棘之路,我们不断改进工艺才有了今天成熟的产品。从原料角度出发,我们拥有全球首条氧化石墨烯生产线,能够生产单层率达99%的石墨烯浆料,仅需千分之一的添加量就能实现诸多功能,且不会对纤维的触感、强度、韧性等性质造成不利影响。从技术层面来讲,原位聚合不同于普通的混合、掺杂,在使用过程中,石墨烯不会从纤维中脱离流失,保证了产品功能的持久性和本身的安全性。”

  单层石墨烯多功能复合纤维具有的远红外发射、紫外防护、抗菌抑菌、抑制螨虫、抗病毒以及负离子发射等多项功能与人们的健康息息相关,且这些功能均多次通过国家纺织服装产品质量监督检验中心(浙江)、国家红外及工业电热产品质量监督检验中心等第三方权威检测机构检测,具有相关检测报告。同时不含金属离子,安全环保健康,属于自带康护性的新型纤维。

  例如,穿用该纤维制成的纺织品服装,石墨烯发射的远红外能量可以被人体充分吸收,达到自暖效果,并且可缓解疲劳、增强细胞活力、促进血液循环和微循环;紫外光防护系数UPF实测值和UVA的透过率均符合国家标准;石墨烯多功能复合纤维既能显著消除因细菌产生的各种异味,防臭效果显著;又可以在一定程度上抑制细菌繁殖,降低再次传播的风险;同时,其通过了OEKO-TEXStandard 100环保认证,而且是依据里面要求最严苛的Class 1 附录6测试方法,因此可用于婴儿用品,安全环保健康,此外高烯科技还进行了皮肤致敏性和动物刺激试验,结果试验样品没有一例产生过敏或刺激反应。

  对石墨烯多功能复合纤维的性能优势及应用领域,高烯科技总经理汪洋如数家珍,“我们的石墨烯多功能复合纤维,既能向内增强细胞活力、提升免疫力、延缓衰老,又能向外抑制病毒细菌螨虫生长、屏蔽紫外线,多管齐下,协同呵护,全方位守护健康,是居家、运动、商务、休闲的理想纺织面料。这样的功能纤维纺织品,还可广泛用于公共活动区域如医院、宾馆、休闲娱乐场所、学校、高铁、飞机、汽车等,可实现自动高效灭病毒、抗菌抑菌,大大减少交叉感染风险,开启康护纺织新时代。”

  从单层氧化石墨烯到石墨烯多功能复合纤维,到石墨烯电热膜、石墨烯导热膜,再到烯凤凰品牌系列产品,从各类贴身衣物如内衣、塑身衣、瑜伽服等到多功能袜、鞋及远红外光灸毯等,高烯科技向业界形象地展示了如何将产学研用深度融合,如何让石墨烯走进千家万户,如何用科技打造健康生活新方案。

  积淀至上实力 获得IGCC认证

  “实际上,原位聚合工艺从实验室走向生产、走向市场,是一条荆棘之路,我们不断改进工艺才有了今天成熟的产品。从原料角度出发,我们拥有目前全球首条氧化石墨烯生产线,能够生产单层率达99%的石墨烯浆料,仅需千分之一的添加量就能实现诸多功能,且不会对纤维的触感、强度、韧性等性质造成不利影响。从技术层面来讲,原位聚合不同于普通的混合、掺杂,在使用过程中,石墨烯不会从纤维中脱离流失,保证了产品功能的持久性和本身、安全性及环境友好性。”韩燚对公司的核心原料--单层氧化石墨烯、相关技术及纤维产品充满信心。

  信心来源于实力。真假石墨烯需要通过第三方认证得以辨别,国际石墨烯产品认证中心(International Graphene Product Certification Center,,简称IGCC)是目前国际石墨烯行业唯一的权威独立第三方认证机构。认证过程中,IGCC专业技术人员直接在生产现场随机取样、严格封存、匿名送检,按照国际标准中公认的石墨烯术语内涵给出认证结果。样品通过检测后,还要委派专家不定时到生产现场检查质量保证体系品控流程,确保批量生产的产品品质与送检样品质量的一致性,才能最终通过认证。

  高烯科技总经理汪洋特别提到,高烯科技拥有单层氧化石墨烯从源头到终端产品的核心技术及装备的自主知识产权,且是目前全球首个获得IGCC单层氧化石墨烯产品认证的企业,被数十个国家和地区的科研机构作为试剂级产品用于大量严谨的科学研究。高烯科技以自产单层氧化石墨烯为核心原料,通过原位聚合及熔融纺丝制得的石墨烯多功能复合纤维,也是目前全球首个通过IGCC认证的单层氧化石墨烯改性功能纤维。可见目前中国在石墨烯原创产业技术方面正处于领跑者地位。由于单层氧化石墨烯全自动生产线的数十道关键工序均可量化,使其品质非常稳定,有了高品质石墨烯原料的稳定供应,石墨烯科学研究及下游应用产品开发便有了保障,可进一步助力石墨烯产业步入健康有序的高质量发展轨道。

  十年磨一线,高烯科技付出了艰辛,亦收获了硕果。未来,高烯科技将目光投向了更广阔的时空。汪洋表示,目前公司正在规划建设百吨级生产线,力求通过产能扩大降低生产成本,并计划通过8-10年的时间,让高烯石墨烯多功能复合纤维成为纤维领域的标配,让自带康护功能的终端纺织品走入寻常百姓家。未来高烯科技将结合“1+N”的战略规划:以单层氧化石墨烯原料为核心,以产业链合作为纽带,逐渐实现纤维、发热导热膜、烯凤凰品牌系列等应用产品的规模制备。不忘初心,一步一个脚印,拥抱石墨烯的星辰大海!

(责任编辑:刘朋)

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