石墨烯基纳米隔热材料的研究及节能应用

翟茜茜

上海市节能减排中心有限公司

0 引言

随着社会的快速发展，全球的能源消耗日益增长。与能源紧缺同时出现的不仅仅是世界各国对石化能源的争夺和冲突，还对自然环境产生了严重的破坏[1,2]。因此，节能技术和节能产品已成为世界各国重点研究和开发的领域之一。国民经济的高速持续发展，能源供给将起到支柱作用。因此，能源使用规划以及相关的节能减排技术对我国的可持续发展显得格外重要，尤其是《环保法》已成为我国的一项基本法，预示着过去以环境换经济的粗犷型发展模式已经成为历史。

在空调制冷季节，由于很多既有建筑的围护结构未采用内/外保温，同时缺乏有效的隔热屏障，使长时间日照条件下的建筑内部温度快速升高，为了保证人员的舒适性必须长时间使用空调。工业方面，特别是石油化工企业的油品储罐，由于温度升高导致油品膨胀蒸发，在夏季极易发生呼吸效应，不仅造成了能源浪费和污染大气的挥发性有机物（VOCs）的排放，而且油气在罐体周围沉降造成了极大的安全隐患[3,4]。目前，石化企业为了避免储罐呼吸效应的发生，在春夏两季，每天采用大量的冷淋水冷却罐体数次，不仅造成大量的资源浪费，而且依然不能避免VOCs的排放。因此，有必要对如何抑制民用建筑和工业储罐在春夏两季温度快速升高进行研究，实现节能减排效益。在众多相关技术中，隔热涂层具有低成本、效果显著和改造方便等优势，在建筑和工业节能领域具有良好的应用前景[5,6]。

传统的隔热涂层主要以空心玻璃微珠作为功能原料，其对太阳光中用于发热的红外和可见光波段的入射光具有良好的反射能力和较低的热导率。但是，空心玻璃微珠在涂层材料生产过程中容易发生破裂，失去其功能性。另外，空心玻璃微珠对人体有潜在的危害，已被明确归为致癌物。最新的研究成果表明，纳米空心陶瓷微珠对红外和可见光的反射率比空心玻璃微珠更强，同时还具有良好的机械性能，并且对人体和环境友好。因此，纳米空心陶瓷微珠被认为是空心玻璃微珠的良好替代物。但是相关的科学研究和工程应用研究还比较缺乏，值得进一步研究。石墨烯作为一种新型的碳材料，具有杰出的光学、热学、电学和机械性能[7-10]。自2004年首次被发现后就迅速引起全球关注，在众多领域都具有良好的应用前景。石墨烯的纳米结构使其有可能在涂层材料中形成致密的防水层，提高涂层材料的防腐性，延长被涂覆物的寿命。但是，因相关研究鲜有报道，限制了石墨烯在涂层材料中的应用。本研究将采用石墨烯和空心纳米陶瓷微珠制备隔热涂层材料，并测试该涂层材料在实际应用中的节能效果。

1 制备与表征

1.1 原料

本文所述的原料有石墨烯、纳米空心陶瓷颗粒、二氧化钛、膨润土、硫酸钙、分散剂、防腐剂、增稠剂和十二烷基苯磺酸钠，所有溶液均采用去离子水制备。

1.2 制备

将35g硫酸钙粉末、54g纳米二氧化钛粉末、26g纳米陶瓷颗粒和2g膨润土加入100ml去离子水中，采用磁力搅拌器搅拌1h，保持搅拌速率为1 200rpm。然后采用研磨设备将均匀溶液进行研磨预处理，保证溶液中的固体尺寸不大于20μm。然后将3g石墨烯、2g十二烷基苯磺酸钠和140g树脂乳液缓慢加入研磨后的溶液中，并中速搅拌20分钟（搅拌速率为600rpm），十二烷基苯磺酸钠能实现石墨烯在溶液中的均匀性，最后加入15g各种助剂，持续搅拌40分钟得到隔热涂层材料。工业应用产品采用相同的配方和工艺放大生产，最后采用无气喷涂方式对建筑和工业装备进行涂装。

1.3 测试仪器

石墨烯和纳米空心陶瓷微珠样品形貌采用透射电子显微镜进行表征（SEM，FEI Sirion 200，5kV，Japan)；纳米隔热涂层材料对太阳光的反射率采用反射率测定仪测定（C84-III，上海普申化工机械有限公司）。理论计算采用comsol软件。

2 分析与讨论

2.1 样品的SEM分析

图1(a)-1(c)分别是石墨烯和纳米空心陶瓷微珠原料的SEM图片。由图1(a)可见，石墨烯片的尺寸约为50nm，较小的平均尺寸为其在树脂中的均匀分散提供了前提条件。此外，由高倍率图片1(b)可以看到，石墨烯表面存在明显的褶皱，这些石墨烯自发形成的褶皱能有效降低其表面能，提高二维石墨烯材料在常温环境下的稳定性[11,12]。图1(c)展示了纳米空心陶瓷微珠的形貌，可以看到纳米空心陶瓷微珠具有规则的形状，其尺寸范围在400nm～500nm。小尺寸的隔热填料有利于提高其对入射光的高反射能力。

图1 石墨烯的SEM照片（a）低放大倍率（b）高放大倍率（c）空心纳米陶瓷微珠

2.2 样品的太阳光反射率分析

表1列出了将不同厚度的石墨烯基隔热涂层材料喷涂在不锈钢材料表面后涂层对太阳光的反射率。可以看到，当涂层厚度超过400μm后，超过90%以上的太阳辐射热都将被反射回空间中。

表1 石墨烯基隔热涂层材料厚度与太阳光反射率之间的关系

2.3 案例分析

（1）民用建筑

将制备的石墨烯基隔热涂层涂装于珠海香洲区某小区别墅的玻璃房屋顶，图2为施工过程中和完成后的玻璃屋顶。该玻璃屋顶面积为16m2，在涂装隔热涂层之前，环境温度为35℃左右，玻璃屋内实测温度超过60℃，每天必须从8：00～18：00开启空调制冷。空调的功率为1.5P，每天消耗电能11kWh，以夏季高温天气60天计算，则每年高温天需要消耗的电能达到660kWh，折标准煤173kg，排放二氧化碳0.46t，以整个小区86套别墅计算，消耗电能折标准煤14.88t，排放二氧化碳39.56t。而使用石墨烯基隔热涂层材料后，玻璃房的温度降至38℃左右（环境温度为35℃），如果长时间不在玻璃房活动则不需要使用空调。2018年夏季10个高温天期间，玻璃房涂装石墨烯基隔热涂层前后内部温度的变化见表2。

图2 玻璃房顶（a）施工中 （b）施工后

表2 涂装石墨烯基隔热涂层材料前后玻璃房内部温度的变化(地点：珠海某小区；时间：2018年8月)

从上述数据可以看出，使用石墨烯基隔热涂层材料涂装玻璃房顶后，玻璃房的温度平均下降22℃，大幅减少了玻璃房开空调的时间，实现了显著的节能效果。

（2）工业领域

石墨烯基隔热涂层材料在工业领域也有显著的隔热节能效果。图3是采用该隔热涂层材料在广东某石油公司的某集装箱房施工的照片，该集装箱房为保安人员的值班室，在涂装前每年7-9月必须24小时开启空调，表3列出了2017年8月10个高温天期间集装箱房内未开空调时的温度。该集装箱内配有一台3P空调，每天工作22小时（6∶00-8∶00关机保养）。采用石墨烯基隔热涂层材料后，集装箱房内的温度下降幅度大于20℃，每天开启空调的时间缩短至6小时，夏季可节约电能3 175kWh，折合标准煤914kg，减少CO2排放2.23t。目前，此隔热涂层已在该石油公司的58个集装箱房推广，节能减排效果十分显著。

图3 集装箱房涂装石墨烯基隔热涂层材料

表3 涂装石墨烯基隔热涂层材料前后集装箱房内部温度的变化(地点∶广东某石油公司；时间∶2017年8月)

该石墨烯基隔热涂层材料在汽油储罐表面使用后也表现出良好的节能减排效果。图4是该隔热涂层材料在江苏某油罐施工的图片，4a和4b分别是对一个5 000m3汽油罐的罐身和罐顶的施工照片。图4c和4d分别是采用comsol软件对该油罐涂装石墨烯基隔热涂层前/后罐体温度的模拟结果。模拟结果显示，涂装隔热涂层前后罐身的温度可下降超过15℃。

图4 （a）罐身施工图（b）罐顶施工图（c）涂装隔热涂层前油罐的温度模拟图（d）涂装隔热涂层后油罐的温度模拟图

表4为涂装隔热涂层前/后罐顶和罐身温度的变化，罐顶温度下降超过20℃,罐身温度下降超过12℃。按照实测油气蒸发量对比，涂装石墨烯基隔热涂层后该5 000m3汽油罐每年可减少油气损耗28m3，相当于减少二氧化碳排放59.79t，其节能减排效果非常显著。

表4 涂装石墨烯基隔热涂层材料前后油罐表面温度的变化

3 结论

（1）采用石墨烯和空心纳米陶瓷微珠作为主要功能填料制备了隔热涂层材料，此隔热涂层材料具有良好的反射太阳光中的红外和可见光部分。当涂层厚度超过400μm时，其对太阳光的反射能力超过90%。

（2）将此涂层应用于某小区别墅玻璃房顶后，在夏季可以将室内温度下降约20℃，整个小区玻璃房每个夏季可节约电能56 760kWh，折合标煤14.88t，减少二氧化碳排放39.56t。

（3）将此涂层材料应用于石化企业的集装箱房表面，58个相同尺寸的集装箱房在夏季每天可减少空调使用时间16小时，夏季实现节约电184 150kWh，折合标煤53.04t，减少二氧化碳排放129.34t。

（4）将该涂层材料应用于5 000立方米的汽油罐表面后，使罐顶和罐身温度分别下降20℃和12℃，每年减少油气损耗28m3，相当于减少二氧化碳排放59.79t。