簡單的考慮到中國有世界最大的石墨礦產資源儲量和石墨烯的理論前景，在中國和世界各地已投入巨資建立了很多石墨烯工業園和創業公司。尷尬的是，目前市場上還沒有石墨烯粉體的千噸級應用存在，只見到各種畫餅充饑的理論前景和資金炒作。本文作者驗證了一種新的策略，通過石墨烯的生產、應用與傳統的炭黑、白炭黑、膨脹石墨的生產、應用互相耦合，既可以大大降低生產成本，也能找到石墨烯與傳統工業相結合的萬噸級市場。

一、目前國內石墨烯的生產現狀

中國的石墨產量約占世界總產量的45%左右，我國的石墨儲量、產量及出口量均居世界之首，基于考慮到中國擁有世界最大的石墨礦產儲量和石墨與石墨烯之間的聯系，在國內的多個城市包括無錫、常州、青島、寧波和重慶，已經投入巨資建立了多個石墨烯工業園。按照目前而言，國內生產石墨烯采用的路線主要可分為氧化還原法路線和非氧化還原法路線。

1.氧化還原法生產石墨烯

基本上是采用hummers法制備氧化石墨，然后再通過化學還原的方法制備石墨烯。該方法，對設備的要求低，早期來說相對容易放大制備。但是此方法基本上沒有工業化的前途。

原因有三：

1. 強烈的氧化過程會造成石墨烯結構的大量缺陷，這些缺陷導致石墨烯導電導熱性能的大幅度下降；

2. 氧化的石墨烯很難徹底還原修復原有缺陷，石墨烯片層上會含有大量的含氧官能團（5-15%），這種方法所生產的石墨烯確切的說只能是石墨烯的衍生品種，算是改性的石墨烯；

3. 氧化和還原的操作過程過程復雜繁瑣，去除雜質的洗滌過程中會帶來大量的廢酸液，且雜質含量不容易控制。

 
圖1石墨烯分子結構

2.非氧化還原法生產石墨烯

采用天然鱗片石墨為原料，通過低階插層-膨化-解離制備高質量的石墨烯粉體。所制備的石墨烯粉體具有很好的結晶性，呈灰黑色粉末（氧化法制備的石墨烯粉末呈黑色）。這種方式制備的石墨烯基本保持石墨片層原有的結構，氧含量很低（≤5%），因此導電導熱等各方面性能好很多。

二、石墨烯與傳統炭黑（或白炭黑）的耦合生產

 實際上，世界上生產量最大的納米材料是炭黑，每年的世界年產量超過1000萬噸。其次是白炭黑，世界年產量超過100萬噸。中國剛好也是炭黑和白炭黑世界上生產量最大的國家。本文作者發現，我們可以把石墨烯的生產過程與傳統的炭黑（或白炭黑）生產互相耦合。這樣我們既可以利用傳統炭黑生產中多余的熱能，也可以利用傳統生產中的各種化工容器和噴霧干燥等設備，大大降低生產成本。最重要的是，通過滲透進炭黑（白炭黑）的傳統海量市場，很容易找到萬噸級的生存市場。

三、耦合生產炭黑/石墨烯復合粉體的應用

 1.炭黑/石墨烯復合粉體應用于導電塑料

炭黑/石墨烯復合粉體，由75份國產導電炭黑（比表面45±3m2/g，平均粒徑39nm，山西永東）和25份石墨為原料加工而成。每生產一噸炭黑會產生104m3的炭黑尾氣，其中含有30%-40%炭黑生產系統的總能量。石墨烯和炭黑/石墨烯復合粉體的生產過程需要消耗的熱能、干燥能耗都可以由炭黑生產系統提供。

表1 各種炭黑在聚丙烯（J340）里的導電性對比

可見在最低檔的國產導電炭黑里通過復合少量的石墨烯，可以得到媲美進口卡博特導電炭黑的導電性。曾經在中國的炭黑國標里，以卡博特公司的Vulcan? XC-72為參考有N472的中國高級導電炭黑牌號，因為長期沒有國內企業可以生產N472牌號的高級導電炭黑，所以新國標里取消了N472的牌號，長期空缺。我們都知道高級導電炭黑，通常都是高比表面積的，生產過程的油耗也高，而且技術復雜。國內公司都想在高附加值的特種導電炭黑方面有所作為，但是都沒有見到做的好的。

圖2炭黑/石墨烯復合粉體SEM圖

導電炭黑能賦予高分子材料一定程度的導電性或抗靜電性，作為永久性功能填料，廣泛應用電磁波屏蔽材料，高、中壓電力電纜屏蔽料，防靜電地板、輸油管、油箱和膠靴，煤礦用防靜電阻燃運輸帶、導風筒和PVC管，防靜電電子元器件包裝材料和炸藥包裝材料，導電油墨、涂料，以及要求能消除靜電的航空輪胎等領域。

 目前我國35KV及以下電纜屏蔽料用導電炭黑的市場容量約為3.8萬噸左右,導電涂料、電子元件、抗靜電油墨、導電膜以及礦用電纜等領域導電炭黑的需求量約為2萬噸左右。隨著我國國民經濟及各行業的不斷發展,導電炭黑的應用水平不斷提高,未來導電炭黑行業將呈現快速發展的趨勢。

圖3 炭黑

作為進口導電炭黑代表的卡博特Vulcan?XC-72炭黑的銷售價格在40000/噸左右，山西永東導電炭黑銷售價格8000/噸左右。媲美進口導電炭黑的國產炭黑/石墨烯復合粉體，由75%含量的國產低比表面積導電炭黑和25%的石墨烯復合而成，生產成本只要10000/噸左右。如果以2萬左右一噸的價格銷售，利潤在1萬/噸，預計銷售量每年5000噸。

 2. 石墨烯應用于白炭黑綠色輪胎

汽車燃油消耗的20%-30%被用于克服輪胎的滾動阻力，滾動阻力每下降10%，可使燃油消耗減少1-2%。歐盟于2012年11月1日正式實施《歐盟輪胎標簽法》（EC1222/2009）,要求在歐盟地區出售的輪胎必須對輪胎的燃油經濟性、安全性和噪聲等級進行標識。其中根據輪胎燃油經濟性由高至低分為A到G七個等級，A級輪胎比G級輪胎的滾動阻力降低約50%，可節約燃油消耗的7.5%。如果輪胎的滾動阻力系數大于G級規定限值，將不能進入歐盟市場。中國也于2014年3月1日開始試行《綠色輪胎技術規范》。

米其林、固特異等世界領先輪胎公司開發節油輪胎的技術關鍵是采用白炭黑部分或完全替代炭黑作為輪胎胎面的增強材料。高用量白炭黑補強橡膠材料制造的輪胎與傳統采用炭黑補強橡膠材料制造的輪胎相比，具有更低的滾動阻力（即更節油）和更高的抗濕滑性（即更安全）。然而，應用高含量白炭黑增強橡膠材料制造輪胎也帶來新的問題。

圖4  炭黑應用于米其林輪胎

 與炭黑不同，白炭黑自身不具有導電性，橡膠本身也是絕緣體，因此高用量白炭黑增強橡膠材料的體積電阻率非常高。由其制造的輪胎在使用過程中與地面摩擦會產生高電壓的靜電危害。為此，米其林、固特異、住友橡膠等公司都申請了專利，提出了各自的解決辦法?？偟恼f來，就是在不導電的輪胎中復合導電橡膠或者導電金屬構件，從而能讓靜電消散。但是，這樣會導致制造輪胎工藝的復雜程度增加、時間成本的增加和相比常規炭黑補強橡膠輪胎成本的增加。

 石墨烯具有優異的導電性，通過石墨烯耦合于傳統的炭黑、白炭黑和輪胎生產流程，可以工藝簡單的解決掉白炭黑補強輪胎的靜電危害的困擾，不需要復雜的“導電煙囪”等工藝。這樣的話，每年會產生幾萬噸復合粉體的潛在市場。另外，石墨烯應用于輪胎會顯著提高輪胎的導熱系數，這樣可以減少硫化步驟的時間，加快輪胎的生產速度。

 3. 石墨烯在別的行業的應用

 通過耦合工藝，可以大大降低石墨烯生產的能耗，從而相比別的企業具有顯著成本優勢。經過這么多年的研究，石墨烯在鋰電池、鉛酸電池、手機散熱膜、潤滑油、膠體、防腐涂料等領域也有應用，如果大量的廉價生產石墨烯，會大大加快石墨烯在這些領域的應用進程。

文章作者趙社濤，艾邦高分子綜合整理編輯；如欲進一步了解，可聯系作者進行交流。

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