石墨烯保温材料的应用与发展

石墨烯保温材料的应用与发展

高修连

合肥工大建设监理有限责任公司 安徽 合肥 230009

摘要：石墨烯保温材料是一种新型材料，其应用、制备以及机理都在研究过程中，很多成果尚不成熟，未来的重点仍集中在基础理论研究、应用推广以及制备方法方面。石墨烯作为保温材料使用具备强度高、力学性能好、质轻的力学特性，同时也具备良好的导热、导电性能，石墨烯保温材料应用市场旷阔。

关键词：石墨烯；保温材料；应用；发展

一、石墨烯概述

所谓的石墨烯是碳原子二维纳米结构，传统的石墨是三维块体，而石墨单层结构，将其看作二维平面结构，碳原子六角形蜂巢结构排列。石墨烯材料在光学、电学、力学特性都有着独有特征。在力学特性方面，石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。石墨烯局域具有超强导电性，具备良好的热传导性能。

二、石墨烯保温材料的制备

石墨烯保温材料的制备方法目前主要是集中利用石墨烯的两个特点，一个是石墨烯良好的力学性能，另一个是石墨烯具备良好的导电导热性能。利用不同的特点，制备的石墨烯保温材料方法和保温原理也有所不同。

2.1 基于力学性能的保温材料制备

研究员崔建中利用石墨烯分散液、普通水泥、膨润土、滑石粉、炭黑、轻质碳酸钙、亚硫酸铜、氧化铁、硬脂酸、酚醛树脂以及白油为基本成分，利用超声波震荡石墨烯分散液，使石墨烯均匀分布，然后与其他材料保温材料混合制备一种绿色高效的石墨烯纳米保温材料。该方法制备的石墨烯保温材料具备良好的力学性能。

研究员吴建平制备了一种建筑外墙保温材料，其制作方法首先是将玻璃球熔化，将融化的玻璃球经过镍铬合金漏板流出，经过辊轮抻直,二次熔融、分裂和牵伸,形成二次玻璃纤维；利用γ‑氨丙基三乙氧基硅烷溶液浸泡二次玻璃纤维，得到改性玻璃纤维以后，与石墨烯气凝胶、白色硅酸盐水泥和矿粉三者混合物，加水搅拌均匀,注入模具中静置，脱模,保温，取出后放入箱式电阻炉中处理即得。该方法和上一方法做法类似，改善了外墙的力学性能，同时起到保温效果。

通过上诉四种方法的阐述，基于石墨烯力学性能材料的制备，原理是将石墨烯粉均匀布置于保温材料中，分散方法以超声波震荡为主，和其他保温材料相互混合以后得到的良好力学性能的石墨烯保温材料。

2.2 基于石墨烯电热学性能制备方法

研究员陈淑佳制备了一种电热膜结构，其具体结构如图1所示，该结构中发挥的是石墨烯电热作用，同时设置了防水、绝缘功能，可以用于建筑中某系墙体覆盖材料，发挥其保温发热功效。

1-上层屏蔽层，2-上层防水层，3-下层防水层，4-下层屏蔽层，5-石墨烯电热膜

图 1 石墨烯电热膜机构

研究员王卫灯等制备的一种被动式石墨烯夹心保温结构，该结构主要应用于建筑材料中。该石墨烯保温材料为多层结构，从内到外分别是混凝土夹心层、石墨烯保温层、防护层以及饰面层。该结构可以替代传统的保温砂浆，并且更安全，更环保，结构更加稳定。利用饰面层保证了结构的美观性。其中石墨烯保温层可以做成石墨烯远红外结构，可以辐射远红外线，对居住用户产生一定的健康养生效果。

根据研究员危安然，李寅峰在2018年全国固体力学学术会议上公布的研究成果，利用分子动力学模拟方法，发现表面改性对石墨烯导热性能实现调控，换而言之我们可以通过一些策略手段，影响石墨烯导热效果，为石墨烯应用到表面保温材料、保温管覆盖材料以及热界面材料提供了理论支撑。

三、石墨烯保温材料在建筑中的应用

3.1 应用原则

1）在民用建筑楼面保温隔声工程中的应用，做到因地制宜、技术先进、经济合理、绿色环保，保证工程质量和使用安全，制定本技术要求。

2）民用建筑楼面保温隔声工程的设计、施工和验收除执行本技术要求外，尚应符合现行国家、行业和地方相关标准的规定。

3）楼面保温隔声工程的热工性能应符合《民用建筑热工设计规范》GB 50176等现行有关建筑节能设计标准的规定。使用功能用房的楼板撞击声隔声性能应符合《民用建筑隔声设计规范》GB 50118等现行有关建筑隔声标准的规定。

4）楼面保温隔声工程中保温隔声板的燃烧性能应符合设计要求和《建筑设计防火规范》GB 50016、《建筑内部装修设计防火规范》GB 50222等现行有关标准的规定，且不应低于B₁级，并应符合《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB 8624中低烟、低毒的要求。

5）楼面保温隔声工程使用的材料必须符合设计要求及现行有关标准的规定，严禁使用国家、地方明令禁止使用与淘汰的材料。

6）楼面保温隔声工程使用的材料应符合现行有关标准对材料有害物质限量的规定，不得对室内外环境造成污染，不应对人体、生物与环境造成有害的影响，并应符合现行相关法规、标准中有关安全与环保的规定。

7） 楼面保温隔声工程采用的新材料、新工艺、新技术，应按照有关规定进行评估。施工前应制定专项施工技术方案，并组织施工方案评审。

四、石墨烯保温材料性能评价

为了更好地说明石墨烯保温材料在建筑领域的应用，需要对石墨烯性保温材料进行性能测定。不管何种制备方法，都应该按照国家相关建材检测标准，来检测其主要性能。石墨烯保温材料主要性能指标如表1所示。检测结果显示石墨聚苯乙烯保温隔声板材料性能优异，满足建筑材料使用要求。

表 1保温隔声板的主要性能指标

结束语

石墨烯保温材料是一种新型材料，其应用、制备以及机理都在研究过程中，很多成果尚不成熟，未来的重点仍集中在基础理论研究、应用推广以及制备方法方面。石墨烯作为保温材料使用具备强度高、力学性能好、质轻的力学特性，同时也具备良好的导热、导电性能，石墨烯保温材料应用到建筑领域大有可为。

参考文献

[1] 周丰, 武春雨. 聚氨酯复合材料的研究进展[J]. 合成树脂及塑料, 2016(3期):97-102.