福特发现石墨烯有助于聚氨酯迎接挑战

自从在曼彻斯特大学工作的俄罗斯科学家发现石墨烯以来，石墨烯在15年间产生了显著的影响。它被发现六年后，Andrei Geim和Konstantin Novoselov因他们的工作获得了诺贝尔物理奖，“石墨烯”这个词已经进入了公众意识。

石墨烯就像金刚石、石墨、富勒烯和碳纳米管一样，是碳的同素异形体。在石墨烯中，碳原子排列成二维单层六边形晶格。它们具有类似于铁丝网的平面结构。它的强度是钢的200倍，而且具有出色的隔音性能。

潜在应用的清单是巨大的，从油漆和油墨到触摸屏甚至鞋子。福特新兴材料集团的科学家们想知道汽车行业是否可以利用其不寻常的特性。

该公司多年来一直试图将石墨烯加入硬质塑料中，使其更坚固，更坚硬。目标是替换掉汽车中的一些金属部件。但是，根据该公司新兴材料的高级技术负责人Debbie Mielewski的说法，这些尝试都没有成功。 “我们甚至无法将其放进挤出机，”她说。

偶然机遇

几乎是出于挫败感，他们在聚氨酯泡沫配方中尝试了它，并且很快获得了成功。 添加石墨烯相当简单，因为它包含在配方的多元醇组分中。

“在一件事情上如此努力地挣扎是一件很有趣的事情，然后几乎是出于挫败感，在聚氨酯泡沫上尝试并取得了成功，”她说。

福特与一级供应商Eagle Industries和石墨烯专家XG Sciences密切合作，优化泡沫的性能。 “我们需要修改石墨烯，并确保它具有成本效益，”Mielewski说。

“我们在这里进行了大部分的泡沫实验，因为我们与密歇根州立大学建立了合作关系。Larry Drzal博士多年来一直在研究其他纳米材料，XG是他的子公司之一。没有太多的研究设施可以做聚氨酯配方，也没有设备做硬塑料。是硬塑料带来的挫折让我们在泡沫上做尝试。”

合适的等级

根据XG的首席商务官Bamidele Ali的说法，该公司创造了大约16或17种不同等级的石墨烯纳米片。 “这些能够赋予聚氨酯系统多种机械性能，电性能和热性能，”他说。 “福特采用了我们的石墨烯纳米片之一，这对于机械强度和导热性非常好。我们帮助他们为引擎盖下部件配制新的聚氨酯泡沫。”

“它提供了更好的隔音效果，发动机可以承受更高的温度，保持更好的结构。”

XG有两种不同的制造石墨烯颗粒的工艺，一种是基于化学的，另一种是机械的。 “我们与福特一起使用的石墨烯是经过机械加工的，” Bamidele Ali说。 “它是一种高表面积的石墨烯纳米粒子，在低多元醇含量下能很好地分散在多元醇中。通常，我们的机械系统生产150-800m2 / g的石墨烯纳米片。”

尽管石墨烯在浇注之前被掺入到泡沫的多元醇组分中，但它并不只是把石墨烯颗粒搅拌到多元醇中那么简单。

“你不能只拿石墨烯，将其放入系统，并期望它能够发挥作用，”他说。 “石墨烯的质量和成分，包括其形态和表面能，都很重要。我们选择哪种石墨烯与特定的多元醇结合得最好。”

他补充说，正确地将石墨烯混合到多元醇中是非常重要的。 “能够很好地分散石墨烯，并确保系统随着时间的推移而保持能力取决于石墨烯使其分散的能量，”他说。 “没有分散，没有性能表现。”

分散和分配

虽然用于分散到福特泡沫中的方法是专有的，但Bamidele Ali说，该公司有六到七种方法用于将石墨烯分散到不同的系统中。

“这取决于能量和成分，”他说。 “这是一个有点复杂的算法，包括起始成分，石墨烯的成分，温度和环境。有时 - 很少 - 我们只是混合或搅拌，但我们也必须使用复杂的机械系统，并且有时相当复杂的额外化学反应，以实现它。”

价格昂贵

石墨烯非常昂贵。如果它所含的含量太高，则会使配方不经济。

“我们开始减少泡沫中石墨烯的含量，并发现即使在聚氨酯泡沫中使用极少量的石墨烯，其性能也可以大大提高，”Mielewski说。 “低于0.5％的含量使噪音传播减少了17％，机械性能提高了20％，耐热性能提高了30％。所有这些都非常适合引擎盖下的应用，我们有嘈杂的泵和发动机，以及高热量。“

提交了一项专利后，发现这种低含量的石墨烯导致了这些性能的大幅提升。这种泡沫现在正在进入生产模式。

起初，它被用于福特F150皮卡车（福特F系列车型已成为美国30年来最畅销的车型）和野马。 Mielewski说，其他计划将在2018年底结束。

她说，事实上它在如此低的负载下运作良好至关重要。 “我们多年来一直与硬塑料中的其他纳米材料合作，并意识到，如果你没有以极小的用量带来很大的影响，那么你就无法承担性能改进付出的费用，”她说。

“我们在泡沫塑料中的添加比例为1.5％，并认为我们最好看到我们用较小的金额获得了哪些改进，因为这是商业案例所允许的。”

渐进而非线性

石墨烯含量越高，改善效果就越明显，但增加的幅度不是线性的。”在这个水平上，你真的得到了最多的回报，不到0.5%。” Mielewski说。但他们也发现，石墨烯使泡沫成核，使聚氨酯泡沫中的结构更加一致，气泡更小。这也有助于提高机械性能。

她说，石墨烯增强泡沫还有其他的好处。由于成核，泡沫的重量要小一点，所以我们只需要少量的聚氨酯。这有助于平衡石墨烯的成本。这对每个人来说都是一场双赢的胜利：消费者得到了一种更安静的汽车，它在发动机罩泡沫下具有更高的耐热性，在福特公司的研究中，我们找到了一种创造和实施新技术的方法。

Bamidele Ali说，泡沫在罩壳产品下的性能只是石墨烯带给这种系统的一小部分。

“石墨烯可以影响产品的轻量化和冲击强度，”他说。（它可以提高）压缩强度20-30%，并在系统中提供更好的磨损性能。”

他补充说，虽然在聚氨酯体系中有点困难，但在更硬的泡沫结构中，石墨烯可以赋予一些阻隔性能。它还可以防止紫外线和增加吸声。此外，由于更大的热导率，循环时间可能会下降。

他说：“石墨烯在极低的负载水平下所具有的特性使加工速度更快，加热和冷却速度更快，因为它是一种良好的热导体。”

“我们的客户在多个系统中看到的加工效率和节能并不是我们经常讨论的问题，但通常它会加快制造过程，这在聚氨酯中有着广泛的用途。”

在引擎盖下

“我们首先将其用到了燃料导轨盖和发动机盖。然后是车辆引擎盖下大约10个部件上。”Mielewski说。

她相信它在车辆的其他地方也有潜力。 “压缩永久变形的改善可能对第三排的折叠座椅很有用，”她说。 “这些被折叠很长一段时间，但泡沫仍然需要反弹。石墨烯泡沫可用于该应用，真正为客户带来好处。”

而且其他地方也引起了很大的兴趣。有人打电话给Mielewski询问是否有助于让客舱更安静。

“一些公司打电话来，提到车内的车顶衬里的泡沫。这的确可以很好地降低车内的噪音。所以，我认为我们也将开始关注其他应用。只要我们能降低成本，大门就敞开着。”

降低噪音

还有一个完整的迁移计划，可以将它移植到其他模型中。”她说：“一旦我们到了自动驾驶汽车的时候，人们就不用再开车了，他们会希望在车内有一个安静的环境来小睡或工作。这将是未来真正的优势。”

从石墨烯泡沫中受益的汽车的其他部分是头枕-用来减少噪音，以及其他热管理很重要的区域。

Mielewski说：“我们将寻找哪里太热，哪里需要屏蔽热量，石墨烯是一个很好的解决方案。” 

本文封面图片来源于图虫创意