【践行十九大】新材料的新作为
[ 作者:张玉芹 来源:哈工大(威海)新闻网 浏览:2852 录入时间:2017年12月19日 ]


党的十九大报告指出,“创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑”。创新不仅要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,还要实现科技成果的转化,让研究成果转化为现实的生产力。

在哈工大(威海)校园里第一座由企业投资建设的科研楼——探学楼里,就有这样一个研究成果源源不断出现、依靠创新带动企业升级换代的研究中心——哈工大-云山碳业石墨深加工技术研发中心。

校企合作的第一项成果成功推向市场

石墨在我国储量丰富,黑龙江省石墨储量占全国的60%,鹤岗市萝北县的石墨储量为6.3亿吨,拥有亚洲最大的石墨矿床。为将资源优势转变成产业优势,黑龙江省积极推动石墨产业的发展。

2011年113日,哈工大与黑龙江省鹤岗市萝北县云山碳业有限公司联合成立了“哈工大-云山碳业石墨深加工技术研发中心”,依托威海校区材料学院的技术力量搭建研发平台,围绕企业提出的产品开发课题进行立项研究,通过校企合作开展石墨深加工技术的基础研究和产品的应用研究。2012年底,由云山碳业有限公司投资建设的研发大楼在威海交付使用,企业出资购买的仪器设备也迅速到位,研究平台很快搭建起来。


自然界中,石墨以块状、鳞片或土状存在,其中鳞片石墨矿石可浮性好,经过多磨多选可以得到高品位的石墨精矿。据研发中心负责人钟博介绍,“萝北县的石墨矿就是工业价值最大的鳞片石墨矿石,鳞片石墨精矿经过加工首先得到可膨胀石墨,再经过高温膨化就可以得到疏松多孔的膨胀石墨,后者可制作阻燃材料。前期我们的工作主要就是制备可膨胀石墨和膨胀石墨。”

2014年底,项目组基于鳞片石墨开发出新型无卤素阻燃添加剂,并开展了其与聚氨酯泡沫的复合工艺研究,解决了浇注工艺中的分散性、相容性及稳定性差等技术难题,成功制备出阻燃等级达到B1级的阻燃聚氨酯泡沫。“用作保温材料的聚氨酯硬质泡沫保温材料有较大的火灾隐患,为提高其耐火等级常用的办法是添加阻燃剂。而目前多数产品采用含卤素阻燃添加剂,对环境污染严重。我们开发的石墨/聚氨酯阻燃泡沫经国家权威部门检测,耐火等级接近A级,达到世界先进水平,在建筑保温和节能环保领域市场应用前景非常广阔。”负责此项目的程瑾宁老师讲到。

为使研发中心的研究成果尽快转化,云山碳业有限公司在威海高区投资成立了威海云山科技有限公司,这种新型的阻燃保温材料很快在公司投产。

攻克关键技术——绿色低碳制备“黑金”

石墨是元素碳一种同素异形体,它的“兄弟”中既有最硬的物质金刚石、状如足球的碳60、一维纳米材料碳纳米管,还有被称为“黑金”的石墨烯。

石墨烯是由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性,在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都有广阔的应用前景。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为黑金,是新材料之王,科学家甚至预言石墨烯将彻底改变21世纪,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

目前常用的石墨烯制备技术存在高污染、成本高的问题,影响了石墨烯材料的广泛使用。项目组开发了物理剥离法制备技术,绿色环保、成本低、品质高,生产的石墨烯厚度在3-5纳米,很好地解决了石墨烯产业原料制备领域的瓶颈问题,为石墨烯的下游应用奠定了坚实的基础,具有重大的产业意义。

负责此项目的王春雨副教授介绍,“新技术采用物理剪切剥离技术,制备工艺简单,不涉及氧化、还原、干燥等复杂工艺环节,大幅降低了生产成本;生产过程不使用强氧化剂等高污染化学试剂,绿色环保;石墨烯晶格完整性得到很好地保持,其物理性能优于化学法制备的石墨烯。”


哈工大校长周玉院士参观研发中心展位

2017年7月,研发中心与威海云山科技有限公司签订技术转让协议,年产60吨的绿色低成本石墨烯生产线正式在企业投产,从10月份开始,性能稳定的石墨烯源源不断地运出车间。

基于石墨烯的新技术全面开花

有了充足的原材料,研发人员从石墨烯的各种优异性能入手,将其作为添加剂与其他材料复合,研制出了新的材料或大大提升原有材料的性能。

利用石墨烯良好的导电性和稳定性,将其用于柔性电热产品,做成发热护膝、发热手套、全身发热马甲等等,用5伏电源驱动,发热温度在30-70摄氏度,适用于取暖和理疗。“我们采用环保工艺,将石墨烯分散于水性粘结剂体系中制成膜状,形成石墨烯/高分子复合导电膜,电阻率小,延伸率高,可180度弯曲,适合穿戴。”据项目负责人王华涛副教授介绍,目前该技术已找到了合作伙伴,很快就产业化。

在此基础上,课题组又把石墨纳米片加入到弹性高分子体系里,形成一种高柔性、高灵敏度的“电子皮肤”,厚度仅为40微米,在不同的应力应变条件下均有良好的响应,在可穿戴电子领域里将会有广阔的应用空间。王华涛表示,该课题突破了石墨纳米片的制备技术、石墨纳米片与高分子均匀分散技术、成膜技术三大难题,与以往仅局限于实验室研究的电子皮肤相比,该研究还提供了一种可以大量生产的工艺,这对于柔性电子器件的发展具有重要意义。相关成果已发表在国际著名期刊《美国化学学会—应用材料与界面》上。

将石墨烯添加到天然橡胶中制成的石墨烯/天然橡胶复合材料,热导率大幅提高,磨损减少,大大缩短生产过程中的硫化时间。“尽管因添加剂的使用增加了部分成本,但总体的生产成本得以降低,整体性能得到优化。”钟博讲到,“目前小批量试样已经完成,正与东营一家生产货车橡胶轮胎的企业合作进行中试实验。”

“我们的最新研究成果还包括综合性能指标优于现有高端导电剂的石墨烯导电剂,替代锌重防腐涂料40%质量的石墨烯基水性防腐涂料,石墨烯散热涂层、石墨烯传感器、全固态柔性超级电容器等等。”钟博介绍,“为了将实验室成果更快地转化为产品,我们和公司主动出击,积极寻找有潜力的合作企业。”

他们与江南石墨烯研究院、青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司、比亚迪股份有限公司等广泛联系,在服装、涂料、电池等行业寻找合作伙伴。“我们搞技术的一定要发挥自己的优势,利用先进技术帮助企业实现产品的升级换代,借助企业现有的市场,迅速将新产品推向市场。而对于教师来说,在研究的过程中走进企业,了解用户需求,让成果落地,会最大限度地让科学研究‘有用’。”

研发中心的发展得到了学校和材料学院的大力支持。目前,中心有一支以材料学院教师为主体、包括海洋学院在内15名专职教师和科研人员组成的研究团队,取得授权发明专利10余项,每年有20名博士、硕士研究生参与科研活动。发表论文30余篇,其中不乏《Advanced Functional Materials》、《Acs applied materials & interfaces》、《journal of materials chemistry A》等高水平期刊。





企业出资建楼搭平台、教师搞研究,双方共享成果、共同促进成果转化,这种产学研合作的方式契合了哈工大(威海)当前正在推行的创新创业模式,符合十九大报告中关于深化科技体制改革的思路,对于“建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系,加强对中小企业创新的支持,促进科技成果转化”是一个积极尝试。(记者 张玉芹)

文章发布员:张玉芹
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