水性石墨烯涂料在發熱膜產業的突破

薛 檸

（揚州大學，江蘇 揚州 225000）

1 研究源起

1.1 研究背景

全世界石墨烯產品的商業化。由中國展望產業研究院推出的《2018-2023 年中國石墨烯領域深層市場調查與項目投資戰略發展規劃數據分析報告》中提到：

第一，有關的新產品運用普及性，隨著石墨烯科學技術的發展以及新的產品工藝的更新，換代升級將逐步實現。

第二，因其優異的功能在光電子現代信息技術、新型材料、新型能源技術、生態材料、生態環保等多個領域都具有巨大的應用潛能和顛覆性轉型，世界各地的跨國公司也相繼投入重金資源進行石墨烯的技術研究、產業制造與應用，以期占據行業主陣地。

第三，在將來5 至10 年內，伴隨著石墨烯行業成長階段的加快及其呈現價格的飆漲，全球各地政府部門將會繼續加大對石墨烯中下游運用的財政扶持，以推動石墨烯行業發展。

1.2 國家政策

近年來，工業的大力發展，某些工業的機械化并沒有達到高標準，導致環境的嚴重污染，霧霾等現象更是“家常便飯”。在“十四五”的規劃中環境發展成為最重要的部分，因此，很多工廠的環境要求不達標從而導致轉型。石墨烯類工廠生產主要是油性的石墨烯，對于環境的危害很大。[1]現在市面上各種關于石墨烯的產品騰空出世，所以轉型成為重中之重。中國的石墨烯產業已被列入《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和“中國制造2025”重點發展領域，表明政府已經意識到未來石墨烯產業會給中國的經濟發展做出巨大貢獻，已經看到了我國石墨烯領域的研究水平在國際上具有很強的競爭力，推進石墨烯產業，回應了國家發改委“清潔取暖”的呼吁，中央部委、各地一系列“煤改氣”現行政策也陸續頒布，推動采暖電力能源清潔化，拉響“大氣污染防治”。

1.3 市場背景

我國南方的冷冬剛性需求。國務院辦公廳國資委主任肖亞慶于2019 年2 月“亞布力中國企業家論壇第十九屆企業年會”中明確提出，“中國的采暖并不是以溫度來決策的，是以地區來決策的，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、規定看來，這一發展潛力或是極大的。”

1.從人們追求完美幸福生活的需求來看，我國沿海城市采暖消費潛力巨大。

2.從家中的能效等級考慮，落地采暖比較經濟發展、環保節能，而且中央空調的供暖功率也很大。

3.比照其他的傳統采暖方式，石墨烯發熱膜采暖更加方便、舒適、健康、隔音。

2 研究意義

截至2022 年底，我國北方地區采暖面積約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煤，而散燒煤（包括低效小鍋爐用燃煤）約2 億噸標煤，且大多散布于鄉村偏遠地區。同1 萬噸燃煤，散燒煤產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成為我國北方地區冬季霧霾的主要問題之一，所以利用電力清潔燃料供暖已經刻不容緩。而石墨烯則因其綠色環保、低碳節能減排的特性，已經成為促進我國“大氣污染防治”工作的中堅力量。促進石墨烯取暖協同促進減碳、降污、擴綠、平衡發展，推動環境先行、節能集約、綠色低碳經濟發展，逐步建立節約資源和保護環境的城市空間布局、產業結構、生活方式、社會發展模式，推動城市經濟發展向全面現代化的目標轉變。

3 水性涂料石墨烯發熱膜本質

利用依托于水性溶劑的傳統石墨烯工藝制造發熱薄膜材料，用水性溶劑代替油性溶劑，可有效減少傳統石墨烯所產生的甲苯等熱毒害物質的危險，更符合行業對安全性能的要求，同時運用水性優勢解決了工藝條件的缺陷，能在濕表面的潮濕條件中施工，產生了良好的熱防護力、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，從而有效節約資源。

4 水性涂料石墨烯發熱膜產品分析

4.1 水性涂料石墨烯發熱膜技術介紹

4.1.1 水性涂料石墨烯發熱膜的技術來源及先進性說明

石墨烯是一種完美排列的二維網狀結構，自發現以來便震驚了科學界，被材料科學家們稱為“黑金”。[2]但傳統的石墨烯依托油性溶劑含有大量的苯類毒性物質，在加工、使用乃至消解過程中對人體、環境等都存在著極大的安全隱患。本項目所采用技術為水性溶劑石墨烯技術，由揚州大學化學工程學院自主研發而成，屬于專利技術。水性涂料石墨烯發熱膜無毒無味，安全環保，且延續了傳統石墨烯的優點，滿足人們對于環保性、安全性的需求。

4.1.2 水性涂料石墨烯發熱膜的技術優勢分析

1.安全：因為普通石墨烯主要使用油性介質且含苯類的危險物質較高，故而產生較為強烈的刺鼻氣味，且長期應用后會有有害物質大量緩釋揮發，對人體產生不好的影響。水性涂料石墨烯發熱膜采用水性溶劑，不含有害致癌物質，無毒無味，多重保護，安全無憂。

2.節能：采用水性涂料石墨烯導熱層制作的導熱制品比較常規的石墨烯導熱層制作的導熱制品，能夠降低百分之二十以下的燃料消耗量，石墨烯導熱制品通過室內設置的高溫傳感器，依據調整室內環境溫度并保持勻速運動，達到高品質節能實際效果。

3.環保：利用石墨烯導熱膜生產的卡能地暖及導熱制品，無粉煤灰、塵埃、點燃等有機垃圾及自然環境氣體污染物，無廢氣，無水污染，無熱空氣及對流所產生的粉塵漂浮，使用高水性涂料溶劑，節約環境資源，減少大氣污染，減少了一氧化碳死亡的危害，更符合現代化城市環境的要求。

4.高效耐用：水性涂料石墨烯發熱膜的電熱轉化效率高，發熱面積大，熱交換效率高，導熱性良好，發熱快且均勻，升溫快且水性涂料石墨烯發熱膜的使用壽命長達30 年，十分耐用。

5.時間長：由于投資較少，施工效率高，投資也相對少，水表面張力好，對漆膜附著力較強，因此采用了少量的低毒性醇醚類等有機溶劑，有效改善了施工條件，實現即裝即用，而且完全采用了水性溶劑，施工便捷、簡單方便操作。

6.健康理療：石墨烯電熱膜能夠在通電后，直接通過遠紅外的形式對外輻射波長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。

7.發熱均勻：石墨烯材料具有超強導電導熱性，其電熱轉化率超過百分之八十七，電熱轉化率遠高于其他電器，在通電后的數十秒內可以迅速發熱和均勻散熱。

4.2 水性涂料石墨烯發熱膜產品介紹

4.2.1 石墨烯發熱體——黑科技的升級與應用

石墨烯作為近年來備受關注的新型材料，應用前景十分廣闊。利用石墨烯的特性，半導體產業、光伏產業、航天產業、軍工產業等領域都將迎來革命性的技術進步。[3]隨著近幾年的技術整合沉淀，石墨烯導熱體也逐漸被加入家居采暖領域中，而全新的石墨烯導熱膜也迅速流行并推廣開來。傳統石墨烯在發熱膜生產中大顯身手，但同時也暴露出技術上的許多問題。而我們的項目正是在傳統石墨烯的基礎上進行進一步的研究，開發出了依托水性溶劑的新型石墨烯發熱體。在延續傳統石墨烯一切效能的同時改進了其缺陷和不足，降低了安全隱患，提高了使用效能，實現節約資源和保護環境的美好愿景，滿足客戶對于安全性、環保性、舒適性的需要。

4.2.2 均勻速熱——承包冬天的所有溫暖

石墨烯地熱膜和常規地熱膜一樣需要通電升溫，當石墨烯地熱膜二端電極全部接通的情況下，由于地熱膜上的碳元素團原子在電流中產生了大量聲子、離子和電子，產生的碳元素團原子彼此摩擦、碰撞(也稱布朗運動)從而產生了巨大熱能。另外，又因為石墨烯薄膜具有優異的引腳導熱性能，可在接通后幾十秒內迅速升溫，將熱量均勻發散，使整體室內加熱至最適合人身體的溫度，只需要十五分鐘。傳統水暖的正常使用至少要六個小時的加熱時間，和常規電暖的加熱時間相對比，石墨烯薄膜效果明顯提升，更順應了中醫學的“足熱而頂涼”的原理，讓溫暖由腳下自然而來。均勻恒溫的加熱，使體感更加舒服，安全省電無輻射。

4.2.3 高智能化——分區控溫，省電省錢

石墨烯智能供暖系統由溫控器控制溫度，根據所設定的溫度進行自動調節。待環境溫度上升至設定值時，溫控儀會自動斷開供電，智能控溫，節能省電。而且，石墨烯智能供暖系統還可適應各類使用者的需要，可分室、分戶、分個單位或樓層進行計算。

4.2.4 健康小衛士——安全環保，呵護健康生活

依托石墨烯專利技術，降低苯類毒性物質等安全隱患，減少大氣污染，減少清洗溶劑的消耗，節約資源，節能省電，有利于保護環境。在通電過程中，其所輻射出的5～12um 的遠紅外光波，是目前各種已知物質中和人類身體細胞的遠紅外光波最為相似的物質，它還可以和人身體細胞的水分子形成“有益”的共鳴，具有減輕人身體疲勞、促進血液循環、增強人體抵抗力和提高新陳代謝的理療效果。

4.2.5 方便快捷——簡易安裝

石墨烯地熱膜中的石墨烯單層厚度約為0.334nm，僅為普通紙張的十萬分之一，肉眼幾乎看不見。施工時不受周圍建筑物高低的干擾，不浪費層高和額外空間，同時施工方式簡單簡便，即裝即用。

4.2.6 安全可靠——防水耐壓，綠色環保

石墨烯地熱膜是現有地熱膜中的高標準地熱膜。它無異味，還不會產生有害氣體。有溫度探頭檢測防止燙傷，有PVC 全密閉絕緣封套防止漏電情況的發生，它還擁有IPX8 的防水等級，使用時房間內無排放、無灰塵、無噪聲、不干燥。

5 水性石墨烯涂料在發熱膜產業的發展及建議

5.1 完善有關政策

政府應出臺相應的政策法規扶持石墨烯產業和水性石墨烯涂料等新技術的發展。建立實施技術標準，行業規范。完善生命健康商品與服務價值的形成機制，積極開展行業發展調查統計與研究。同時，也要注重對創新科技發展的管理與指導等工作。企業扶持政策上做好分類分層，統籌兼顧，有所保留、激發導向性企業的成長。

5.2 改善產業環境

石墨烯發熱膜產業要實現科學有序發展，增強產業競爭力，完善產業標準與環境。通過倡導市場公平競爭，提升服務質量，遏制惡性、非法競爭等，積極促進石墨烯發熱膜行業的良性發展，積極保護創新材料——高水性石墨烯材料，積極加速推進科技要素的市場化分配制度，努力研究并全面建立適應新時代科技發展要求的現代科技要素創新機制，提高國家科技創新供給能力、推動經濟社會高質量增長。

5.3 整合資源優勢

整合貫通石墨烯產業鏈，需要將石墨烯生產企業、高校、科研機構和使用企業資源整合，形成產學研用一體化平臺，多渠道協同推進石墨烯產業化進程，逐步形成石墨烯的規模化生產和高端化技術示范線。[4]

5.4 加大技術創新力度

加大水性石墨烯涂料的技術投資，緊密結合綠色環保的發展定位，通過深入調研，逐漸發展貼合市場需求的產品品類。同時，要注重對新技術研發的管理和引導工作。加強在石墨烯發熱膜領域的研究基礎，通過引導重點企業與高等院校和科研機構加強產學研合作聯合培育關鍵人才，有效集成我國在石墨烯產業鏈上下游、產學研用方面的優勢資源，通過引導重點產業企業與高等學校和科研機構，通過合作促進設備、人員、產品等生產要素的合理配置，并針對石墨烯生產中關鍵環節的核心技術進行深入合作，形成了一大批石墨烯大規模制造的高端化應用示范線。

5.5 創新品牌營銷

水性涂料石墨烯發熱膜產品生產運營中心應抓住“碳達峰”和“碳中和”發展契機，通過網絡開展多樣化的宣傳,讓更多的用戶了解水性涂料石墨烯發熱膜產品。一是建立功能齊全的官方網站，根據用戶需求及時發布信息及生產動態等。二是與電子商務公司聯合，利用電子商務渠道建立旗艦店和自營網絡，著力打造個性化定制商品，以迎合消費者的個性化要求。三是運用社交互聯網以及網絡大數據挖掘進行產品營銷。