石墨烯基高導(dǎo)熱相變復(fù)合材料市場化應(yīng)用研究

蔣中

摘要：石墨烯相變材料在綠色建筑中市場化應(yīng)用——不需要空調(diào)和暖氣的房間。本項(xiàng)目是研究制備出成本低廉，節(jié)能效果顯著，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，綠色環(huán)保，相變潛熱大，導(dǎo)熱系數(shù)高的多元復(fù)合PCM建筑材料——石墨烯基高導(dǎo)熱相變復(fù)合材料為目的。通過微觀結(jié)構(gòu)控制，制備得到各向異性石墨烯氣凝膠，再通過添加其他導(dǎo)熱填料改進(jìn)石墨烯氣凝膠界面熱阻和垂直面方向的熱導(dǎo)率，研究制備多元復(fù)合PCM建筑材料的共性問題，篩選出環(huán)保低價(jià)的有機(jī)相變材料，開發(fā)出具有合適相變溫度與相變焓的相變材料，并與石墨烯氣凝膠進(jìn)行吸附封裝，制備得到在長期使用過程中物理化學(xué)性能穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)問題日益加劇。相變材料可以在相變過程中吸收或釋放大量的潛熱，為我們提供一種新型的綠色、高效的能源管理方式。建筑作為人類活動(dòng)的重要組成部分，其能源消耗日益受到人們的重視。為了追求更舒適的環(huán)境，人們采用空調(diào)、暖氣等方式對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在很大程度上增加了建筑能耗，已占到社會(huì)總能耗的30%～40%。因此，開發(fā)和應(yīng)用新型建筑節(jié)能材料，不僅能降低建筑能耗，而且可以提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性，具有十分重要的意義。

市場前景：根據(jù)《綠色建筑行動(dòng)方案》（國辦發(fā)〔2013〕1號）要求十二五期間完成新建綠色建筑10億平方米，預(yù)計(jì)綠色建材的市場規(guī)模約為15700～18200億元。到2020年末，基本完成北方采暖地區(qū)有改造價(jià)值的城鎮(zhèn)居住建筑節(jié)能改造”。針對建筑節(jié)能改造，預(yù)計(jì)綠色建材的市場規(guī)模約為2100億元。“十三五”期間，綠色建筑占新建建筑比例進(jìn)一步擴(kuò)大，到2020年將占新建建筑比例的30%。因此，在“十三五”期間，綠色建材每年市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過萬億。

1.相變材料

是指利用物質(zhì)相變過程的原理，在相變過程發(fā)生存儲(chǔ)和釋放能量的熱變化的狀態(tài)，而溫度維持穩(wěn)定或近似穩(wěn)定的材料。通常能夠儲(chǔ)能和釋能的材料有顯熱儲(chǔ)能材料、化學(xué)變化儲(chǔ)能及相變儲(chǔ)能材料等。顯熱儲(chǔ)能的材料的最大特點(diǎn)是其熱量的存儲(chǔ)是通過溫度的變化來控制的，并且在整個(gè)過程中不發(fā)生任何相態(tài)的變化;溫度變化越大，意味著存儲(chǔ)或釋放的能量越多，并且與其熱容相關(guān)。顯熱材料的熱能密度相對較小且能量的吸收和釋放是與溫度的變化成正相關(guān)的，這限制了其在建筑保溫隔熱上的使用。化學(xué)變化儲(chǔ)能材料能在催化劑的作用下進(jìn)行可逆的化學(xué)反應(yīng)，其中伴隨著能量的交換，這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于其釋放的熱能密度高，但是復(fù)雜的應(yīng)用條件和繁瑣的處理過程以及存在一些安全問題，限制了其應(yīng)用。潛熱儲(chǔ)能材料所得到的熱量是物質(zhì)在經(jīng)歷相變過程中相變潛熱的吸收和釋放，也即是相變材料，該種材料最大的特點(diǎn)是可以利用相變過程恒溫狀態(tài)控制溫度。

2.相變材料在建筑上的應(yīng)用-混凝土砂漿用相變材料

在砂漿中摻入10%-25%石蠟微膠囊，可以得到每平方米含有750-1500g微膠囊的墻體，測試發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)能相當(dāng)于普通墻體結(jié)構(gòu)的10倍。同樣，采用膨脹珍珠巖吸附法由月桂酸和肉豆蔻酸形成的在低共熔物相變材料，并將之應(yīng)用在墻體砂漿板控溫模擬實(shí)驗(yàn)中，評價(jià)其熱性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻有珍珠巖相變材料的砂漿板有較好的控溫效果，且共熔物摻量越多，熱量吸收越多，延長溫度時(shí)間、控溫效果越明顯。采用相同的條件對普通混凝土塊與浸漬有相變材料的混凝土進(jìn)行吸熱和放熱性能比較，跟蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者溫度的峰值和谷值的差值有較大的差異，含有相變材料的混凝土塊最大溫差明顯比普通混凝土的小，因?yàn)橄嘧儾牧夏軌蛭諠摕岷惋@熱，而普通混凝土只吸收顯熱，且在吸熱時(shí)間上也會(huì)產(chǎn)生類似的不同。

3.石墨烯相變材料市場化代表產(chǎn)品

將摻入了石墨烯相變材料的混凝土和砂漿用于建筑內(nèi)外墻體的表面，可形成具有保溫和隔熱功能的儲(chǔ)能區(qū)域。在內(nèi)墻中使用的相變砂漿和混凝土，可以控制室內(nèi)的溫度的變化，并維持在較為適宜的范圍，避免溫度的大幅波動(dòng)對人的影響，并且降低空調(diào)等的負(fù)荷。而應(yīng)用在室外的相變材料要求材料的相變溫度較室內(nèi)高、且儲(chǔ)能大。外墻的相變材料在白天接受日光的暴曬，吸收熱量儲(chǔ)存在外墻表面，減少向室內(nèi)傳遞的熱量;而當(dāng)溫度很低時(shí)又通過釋能減小內(nèi)外溫差，減少墻體內(nèi)部的溫度變化速率，維持相對的穩(wěn)定性，進(jìn)而對建筑進(jìn)行有效的維護(hù)。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

1將石墨烯氣凝膠用作相變材料的導(dǎo)熱通路;水熱法中，通過加入不同的溶劑，改變體系的極性，提高還原石墨烯片在體系中的相容度，來改變凝膠的結(jié)構(gòu)。通過不同溶劑的結(jié)晶誘導(dǎo)形成結(jié)構(gòu)可控的石墨烯氣凝膠，以提高導(dǎo)熱率。

2將石墨烯-碳納米管復(fù)合氣凝膠用作相變材料的基體，且獲得較好機(jī)械性能和較高的熱導(dǎo)率的復(fù)合相變材料;

3加入金屬納米粒子，研究納米粒子對界面融合效應(yīng)。利用亞硒酸鈉制備得到納米硒溶膠與石墨烯溶膠復(fù)合制備得到負(fù)載硒單質(zhì)的石墨烯氣凝膠，以提高界面融合和與其他基體的附著力，提高循環(huán)穩(wěn)定性。

4通過數(shù)學(xué)建模，建立復(fù)合相變建筑構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中的傳熱相變的物理模型，以明確復(fù)合相變建筑構(gòu)件的節(jié)能機(jī)理。

目標(biāo)客戶群體：1.To B：建筑材料供應(yīng)商、地產(chǎn)公司、大型公共建筑建設(shè)單位;2.To C ：個(gè)人家庭裝飾、別墅建材優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.盈利模式

1.技術(shù)服務(wù)收費(fèi)（前期低成本啟動(dòng)）

2.后期相變材料產(chǎn)業(yè)化后，作為綠色材料供應(yīng)商收費(fèi)（后期綜合利潤達(dá)到50%以上）

通過團(tuán)隊(duì)研發(fā)的代表產(chǎn)品石墨烯氣相變復(fù)合磚和石墨烯相變復(fù)合吊頂，與建材生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)入股合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變復(fù)合磚已經(jīng)可以簡單應(yīng)用在崗?fù)ぁ}庫等簡單民用建筑上。屋內(nèi)裝飾吊頂已可以大規(guī)模應(yīng)用石墨烯相變復(fù)合吊頂，使屋內(nèi)極大程度保持恒溫節(jié)能狀態(tài)，產(chǎn)業(yè)化后將成為市面上大受歡迎的節(jié)能材料。當(dāng)技術(shù)日趨完善，石墨烯相變材料將大規(guī)模應(yīng)用在民用建筑，公共大型建筑上，市場前景不可估量。

5.市場風(fēng)險(xiǎn)分析與對策

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

項(xiàng)目涉及的PCM研究工作，國內(nèi)外已有許多研究基礎(chǔ)，本課題組已經(jīng)開展了相關(guān)探索性的研究工作，在PCM材料的制備及應(yīng)用方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的前期工作，我們發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目前期研究中通過對相變石蠟進(jìn)行某些手段強(qiáng)化傳熱后，相變石蠟的導(dǎo)熱性能有所改善，但是也存在很多問題，如用膨脹石墨吸附強(qiáng)化，可以在一定程度上提高導(dǎo)熱率，但提高有限，且經(jīng)過若干次儲(chǔ)能釋能循環(huán)后相變石蠟發(fā)生了滲漏，且添加量較高，損失了單位相變焓。因此，有必要對定形封裝或者吸附進(jìn)行進(jìn)一步研究.

應(yīng)對策略

需要提高技術(shù)性研發(fā)能力，維持自有技術(shù)壁壘，達(dá)到技術(shù)市場優(yōu)先的目的。目前，多種封裝材料及封裝工藝的選擇為探索石墨烯基相變材料與建筑基材的融合機(jī)理提供了更廣泛和深入的研究條件，技術(shù)路線切實(shí)可行，預(yù)期的研究目標(biāo)是可以達(dá)到的。

6.結(jié)語

石墨烯相變復(fù)合材料不僅能夠保持和提高建筑墻的保溫能力。還能減薄整體建筑物的物理結(jié)構(gòu)體系，大幅度節(jié)省空間和資源，進(jìn)一步節(jié)省構(gòu)造建筑所用基材，帶動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展。項(xiàng)目后期自建工廠將帶動(dòng)大量相關(guān)產(chǎn)業(yè)工人就業(yè)，科技在發(fā)展，他們不該被遺忘。