石墨烯基納米隔熱材料的研究及節能應用

翟茜茜

上海市節能減排中心有限公司

0 引言

隨著社會的快速發展，全球的能源消耗日益增長。與能源緊缺同時出現的不僅僅是世界各國對石化能源的爭奪和沖突，還對自然環境產生了嚴重的破壞[1,2]。因此，節能技術和節能產品已成為世界各國重點研究和開發的領域之一。國民經濟的高速持續發展，能源供給將起到支柱作用。因此，能源使用規劃以及相關的節能減排技術對我國的可持續發展顯得格外重要，尤其是《環保法》已成為我國的一項基本法，預示著過去以環境換經濟的粗獷型發展模式已經成為歷史。

在空調制冷季節，由于很多既有建筑的圍護結構未采用內/外保溫，同時缺乏有效的隔熱屏障，使長時間日照條件下的建筑內部溫度快速升高，為了保證人員的舒適性必須長時間使用空調。工業方面，特別是石油化工企業的油品儲罐，由于溫度升高導致油品膨脹蒸發，在夏季極易發生呼吸效應，不僅造成了能源浪費和污染大氣的揮發性有機物（VOCs）的排放，而且油氣在罐體周圍沉降造成了極大的安全隱患[3,4]。目前，石化企業為了避免儲罐呼吸效應的發生，在春夏兩季，每天采用大量的冷淋水冷卻罐體數次，不僅造成大量的資源浪費，而且依然不能避免VOCs的排放。因此，有必要對如何抑制民用建筑和工業儲罐在春夏兩季溫度快速升高進行研究，實現節能減排效益。在眾多相關技術中，隔熱涂層具有低成本、效果顯著和改造方便等優勢，在建筑和工業節能領域具有良好的應用前景[5,6]。

傳統的隔熱涂層主要以空心玻璃微珠作為功能原料，其對太陽光中用于發熱的紅外和可見光波段的入射光具有良好的反射能力和較低的熱導率。但是，空心玻璃微珠在涂層材料生產過程中容易發生破裂，失去其功能性。另外，空心玻璃微珠對人體有潛在的危害，已被明確歸為致癌物。最新的研究成果表明，納米空心陶瓷微珠對紅外和可見光的反射率比空心玻璃微珠更強，同時還具有良好的機械性能，并且對人體和環境友好。因此，納米空心陶瓷微珠被認為是空心玻璃微珠的良好替代物。但是相關的科學研究和工程應用研究還比較缺乏，值得進一步研究。石墨烯作為一種新型的碳材料，具有杰出的光學、熱學、電學和機械性能[7-10]。自2004年首次被發現后就迅速引起全球關注，在眾多領域都具有良好的應用前景。石墨烯的納米結構使其有可能在涂層材料中形成致密的防水層，提高涂層材料的防腐性，延長被涂覆物的壽命。但是，因相關研究鮮有報道，限制了石墨烯在涂層材料中的應用。本研究將采用石墨烯和空心納米陶瓷微珠制備隔熱涂層材料，并測試該涂層材料在實際應用中的節能效果。

1 制備與表征

1.1 原料

本文所述的原料有石墨烯、納米空心陶瓷顆粒、二氧化鈦、膨潤土、硫酸鈣、分散劑、防腐劑、增稠劑和十二烷基苯磺酸鈉，所有溶液均采用去離子水制備。

1.2 制備

將35g硫酸鈣粉末、54g納米二氧化鈦粉末、26g納米陶瓷顆粒和2g膨潤土加入100ml去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌1h，保持攪拌速率為1 200rpm。然后采用研磨設備將均勻溶液進行研磨預處理，保證溶液中的固體尺寸不大于20μm。然后將3g石墨烯、2g十二烷基苯磺酸鈉和140g樹脂乳液緩慢加入研磨后的溶液中，并中速攪拌20分鐘（攪拌速率為600rpm），十二烷基苯磺酸鈉能實現石墨烯在溶液中的均勻性，最后加入15g各種助劑，持續攪拌40分鐘得到隔熱涂層材料。工業應用產品采用相同的配方和工藝放大生產，最后采用無氣噴涂方式對建筑和工業裝備進行涂裝。

1.3 測試儀器

石墨烯和納米空心陶瓷微珠樣品形貌采用透射電子顯微鏡進行表征（SEM，FEI Sirion 200，5kV，Japan)；納米隔熱涂層材料對太陽光的反射率采用反射率測定儀測定（C84-III，上海普申化工機械有限公司）。理論計算采用comsol軟件。

2 分析與討論

2.1 樣品的SEM分析

圖1(a)-1(c)分別是石墨烯和納米空心陶瓷微珠原料的SEM圖片。由圖1(a)可見，石墨烯片的尺寸約為50nm，較小的平均尺寸為其在樹脂中的均勻分散提供了前提條件。此外，由高倍率圖片1(b)可以看到，石墨烯表面存在明顯的褶皺，這些石墨烯自發形成的褶皺能有效降低其表面能，提高二維石墨烯材料在常溫環境下的穩定性[11,12]。圖1(c)展示了納米空心陶瓷微珠的形貌，可以看到納米空心陶瓷微珠具有規則的形狀，其尺寸范圍在400nm～500nm。小尺寸的隔熱填料有利于提高其對入射光的高反射能力。

圖1 石墨烯的SEM照片（a）低放大倍率（b）高放大倍率（c）空心納米陶瓷微珠

2.2 樣品的太陽光反射率分析

表1列出了將不同厚度的石墨烯基隔熱涂層材料噴涂在不銹鋼材料表面后涂層對太陽光的反射率?？梢钥吹?，當涂層厚度超過400μm后，超過90%以上的太陽輻射熱都將被反射回空間中。

表1 石墨烯基隔熱涂層材料厚度與太陽光反射率之間的關系

2.3 案例分析

（1）民用建筑

將制備的石墨烯基隔熱涂層涂裝于珠海香洲區某小區別墅的玻璃房屋頂，圖2為施工過程中和完成后的玻璃屋頂。該玻璃屋頂面積為16m2，在涂裝隔熱涂層之前，環境溫度為35℃左右，玻璃屋內實測溫度超過60℃，每天必須從8：00～18：00開啟空調制冷?？照{的功率為1.5P，每天消耗電能11kWh，以夏季高溫天氣60天計算，則每年高溫天需要消耗的電能達到660kWh，折標準煤173kg，排放二氧化碳0.46t，以整個小區86套別墅計算，消耗電能折標準煤14.88t，排放二氧化碳39.56t。而使用石墨烯基隔熱涂層材料后，玻璃房的溫度降至38℃左右（環境溫度為35℃），如果長時間不在玻璃房活動則不需要使用空調。2018年夏季10個高溫天期間，玻璃房涂裝石墨烯基隔熱涂層前后內部溫度的變化見表2。

圖2 玻璃房頂（a）施工中 （b）施工后

表2 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后玻璃房內部溫度的變化(地點：珠海某小區；時間：2018年8月)

從上述數據可以看出，使用石墨烯基隔熱涂層材料涂裝玻璃房頂后，玻璃房的溫度平均下降22℃，大幅減少了玻璃房開空調的時間，實現了顯著的節能效果。

（2）工業領域

石墨烯基隔熱涂層材料在工業領域也有顯著的隔熱節能效果。圖3是采用該隔熱涂層材料在廣東某石油公司的某集裝箱房施工的照片，該集裝箱房為保安人員的值班室，在涂裝前每年7-9月必須24小時開啟空調，表3列出了2017年8月10個高溫天期間集裝箱房內未開空調時的溫度。該集裝箱內配有一臺3P空調，每天工作22小時（6∶00-8∶00關機保養）。采用石墨烯基隔熱涂層材料后，集裝箱房內的溫度下降幅度大于20℃，每天開啟空調的時間縮短至6小時，夏季可節約電能3 175kWh，折合標準煤914kg，減少CO2排放2.23t。目前，此隔熱涂層已在該石油公司的58個集裝箱房推廣，節能減排效果十分顯著。

圖3 集裝箱房涂裝石墨烯基隔熱涂層材料

表3 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后集裝箱房內部溫度的變化(地點∶廣東某石油公司；時間∶2017年8月)

該石墨烯基隔熱涂層材料在汽油儲罐表面使用后也表現出良好的節能減排效果。圖4是該隔熱涂層材料在江蘇某油罐施工的圖片，4a和4b分別是對一個5 000m3汽油罐的罐身和罐頂的施工照片。圖4c和4d分別是采用comsol軟件對該油罐涂裝石墨烯基隔熱涂層前/后罐體溫度的模擬結果。模擬結果顯示，涂裝隔熱涂層前后罐身的溫度可下降超過15℃。

圖4 （a）罐身施工圖（b）罐頂施工圖（c）涂裝隔熱涂層前油罐的溫度模擬圖（d）涂裝隔熱涂層后油罐的溫度模擬圖

表4為涂裝隔熱涂層前/后罐頂和罐身溫度的變化，罐頂溫度下降超過20℃,罐身溫度下降超過12℃。按照實測油氣蒸發量對比，涂裝石墨烯基隔熱涂層后該5 000m3汽油罐每年可減少油氣損耗28m3，相當于減少二氧化碳排放59.79t，其節能減排效果非常顯著。

表4 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后油罐表面溫度的變化

3 結論

（1）采用石墨烯和空心納米陶瓷微珠作為主要功能填料制備了隔熱涂層材料，此隔熱涂層材料具有良好的反射太陽光中的紅外和可見光部分。當涂層厚度超過400μm時，其對太陽光的反射能力超過90%。

（2）將此涂層應用于某小區別墅玻璃房頂后，在夏季可以將室內溫度下降約20℃，整個小區玻璃房每個夏季可節約電能56 760kWh，折合標煤14.88t，減少二氧化碳排放39.56t。

（3）將此涂層材料應用于石化企業的集裝箱房表面，58個相同尺寸的集裝箱房在夏季每天可減少空調使用時間16小時，夏季實現節約電184 150kWh，折合標煤53.04t，減少二氧化碳排放129.34t。

（4）將該涂層材料應用于5 000立方米的汽油罐表面后，使罐頂和罐身溫度分別下降20℃和12℃，每年減少油氣損耗28m3，相當于減少二氧化碳排放59.79t。