协会成员动态:复旦大学高分子科学系 
卢红斌课题组制备出高质量石墨烯散热膜亮相上交会

2019年06月17日

  近日,复旦大学高分子科学系卢红斌教授课题组的项目“高质量石墨烯散热膜的制备及应用”亮相第七届中国(上海)国际技术进出口交易会。 
  自2004 年被发现以来,作为迄今为止 厚度最薄、强度最高的材料,石墨烯就引起了全球科研工作者的广泛关注。十多年来,卢红斌团队在石墨烯及其复 合材料创新发展和产业应用 方面取得了系列突破性进展,团队提出的水相剥离快速高效制备高质量石墨烯技术解决了石墨烯的成本高、工艺繁琐、储存运输 困难等关 键问题,提出的超大片层氧化石墨 烯、层数可控高质量石墨烯、超洁净石墨烯以及石墨烯自发剥离等各种复合材料制备新技术解决了石墨烯规模化商业 应用 中的核心 问题。此次亮相上交会的石墨散热膜就是卢红斌团队最新研发的一种可望取代现有高成本、高能耗 产品的石墨烯新材料 。 
  制备高质量石墨烯散热膜 有望提升便携式电子设 备热管理效能 
  石墨烯在散热膜产品中有着很好的应用前景。石墨散热膜是一种厚度可控、综合性能优异的导热薄膜材料,可广泛应用于智能手机、笔记本电脑、通讯基站等各类设备的热量管理。随着5G通讯设备、LED设备的不断发展,散热膜市场的成长空间越来越广阔。
  聚酰亚胺热解人造石墨膜是目前市场上广泛采用的散热膜产品。其原料聚酰亚胺膜(PI膜)的制备关键技术掌握在外国公司手中,中国市场下中游竞争激烈。由于原材料核心技术缺失,产品售价不断走低,企业盈利空间持续受到挤压。
  卢红斌团队此次研发出的石墨烯散热膜以天然鳞片石墨为原料,成本低廉,材料厚度在2-20m范围内可控,热导率高,柔韧性好,可连续弯折20000次以上性能无衰减。将制备出的散热膜贴到电热片上,温度可下降40℃。石墨烯散热膜成本低、性价比高、工艺过程简洁高效,可望全面替代人造石墨膜,也将为可穿戴设备、柔性显示、高功率武器装备提供新的散热解决方案。
  卢红斌介绍说,“高质量石墨烯散热膜的制备从天然石墨出发,不仅环境污染小,还具有突出的性价比,或将颠覆现有技术。”这一核心科技的突破,有望拉动下游诸多产品实现完全的国产化。
  不断突破石墨烯制备核心技术
  早在2008年,卢红斌团队就注意到了石墨烯的迷人特性。“石墨烯具有很好的导电导热性,而提高高分子材料的导电导热性始终找不到一个令人满意的解决途径。”将两者结合在一起、利用石墨烯对高分子材料进行改性并赋予其更多的功能性,成为卢红斌团队积十年之功探索石墨烯领域的初衷。他坦言,“只有掌握好源头技术,才能有效推动相关技术领域的创新发展。”
  很快,卢红斌团队在实验室中做好了高分子材料和石墨烯结合的技术准备。这一基本技术问题得以解决后,2010年团队开始探索石墨烯产业化应用的可行性,但他们发现,由于石墨烯的性质极大地受其结构、尺寸、孔洞和缺陷数量等多种因素的影响,当时在市场上获得满足生产要求的石墨烯是十分困难的。
  考虑到未来工业化生产的需要,如能用水做溶剂实现石墨烯的规模化生产将是十分有利的。但石墨和石墨烯都是疏水物质,由于大的比表面积,石墨烯会漂浮水面上,而石墨则会沉入水底。要让疏水的石墨在水中剥离成为石墨烯谈何容易。
  经历了三年左右的反复实验,团队提出了一种可将几百万层石墨烯堆叠在一起的天然石墨剥离成为单层、高质量石墨烯的独特技术,不仅实现了石墨烯的高效剥离,而且工艺过程简洁高效,易于工业化。这为石墨烯的规模化量产和应用打下了坚实基础。
  实现了关键技术的突破以后,卢红斌又面临着要解决有关技术的应用和产业化问题,这也促使他考虑如何将石墨烯研究向下游延伸。
  水相剥离技术使得较小片层的石墨烯的量产成为可能,但如何控制石墨烯的分子量、制备不同尺寸的石墨烯片层仍是亟待解决的关键问题。之前,人们通过分级筛选的方式制备超大片层的石墨烯,过程复杂,难以规模化量产,制备的石墨烯晶格结构不均匀,距离可量产的实际应用还很遥远。卢红斌团队另辟蹊径、采用一套全新路线将原料石墨中的石墨烯片层最大程度地保留下来,这就是他们最早提出的超大尺寸的氧化石墨烯制备技术。
  卢红斌团队还提出了室温插层、千倍膨胀以及无缺陷石墨烯的低成本制备技术。未来,室温化学膨胀制备的石墨烯三维结构体将成为复合材料、储能材料、环境治理等应用领域的关键基础原料。团队改变了传统的高温膨胀制备石墨烯的方法,采用了常温常压下的化学膨胀法,将石墨膨胀成为比表面积巨大的石墨烯三维结构体,后者相比传统高温膨胀石墨拥有更为优良的孔洞结构、导电导热和晶格完整性,在环保、储能和复合材料等领域前景极为广阔。尤其是,团队提出的石墨在高分子材料中自发剥离成为石墨烯,并实现均匀分散和晶格结构保留的独特技术,可望为实现高分子与石墨烯的功能性复合和大规模生产提供理想的工业化途径。
  在卢红斌看来,团队对石墨烯的研究是一个高度相关的过程。“从石墨烯的分子尺寸控制,到石墨烯分子的三维结构,再到石墨烯自发剥离与复合的 应用突破,这是一个高度相关的整体,我们最终要使石墨烯的制备过程和下游应用的产业化过程有机地结合在一起。”
  “石墨烯是一个可以讲大故事的领域”
  卢红斌清醒地认识到,尽管中国的石墨烯产业化技术已经走在了世界的前面,但要让人们切实感受到石墨烯的巨大优势仍有漫长的道路要走。“石墨烯具有非常好的应用潜力,在一些关键领域,我们已经完成了前瞻性研究积累,包括接近产业化的小规模实验,相关技术突破已经在 国内外形成了一定的影响,可以说已经具备了推动石墨烯产品进入实际应用的关键基础。”卢红斌表示,“石墨烯产业化已经进入了一个关键时期,持续不断的努力终将会使石墨烯的潜力在各个领域得到释放,并形成不可替代的应用产品。”
  事实上,有部分石墨烯已经在部分领域得到应用。水相剥离得到的石墨烯可以大幅提升锂离子电池的充电速度,这或将为解决电动汽车的“里程焦虑”提供一个新的解决方案。此外,石墨烯还可以作为高分子材料的功能性添加剂投入实际应用,不仅能够赋予材料优良的导电导热性质,也可以改变其加工性能。卢红斌以石墨烯作为流变改性剂的应用为例,“石墨烯是一个各向异性比极大的二维物质,可显著改变流体的流动行为,这对于包括涂料、润滑油、塑料薄壁部件和薄膜加工都是十分重要的。”此外,卢红斌同样看好石墨烯作为传感器的应用前景。他指出,我们现在已经可以利用石墨烯的优异性能监测新生儿、重病患者的多项生理指标和身体状态。
  目前,卢红斌团队提出的石墨烯水相剥离技术、石墨烯三维结构体量产制备等技术均已获得了专利。团队提出的在石墨烯表面可控修饰高分子链的新方法,已被国内外同行广泛引用,多个产业园区向他们抛出橄榄枝,希望让有关项目尽快落地。
  “石墨烯是一个可以讲大故事的领域,如何彰显上海的优势、复旦的优势,也是我现阶段所思考的一个重要问题。”卢红斌表示,“在我看来,所谓基础研究,就是要不断做出更多的原创性成果,并通过成果转化来推动社会进步。最终实现产业化一定是我们努力的方向。”

 

    (摘自复旦大学高分子科学系 )