案例研究：钉子包装 – Gerdau 和 Gerdau Graphene

1.应用背景（100 字以内）：描述石墨烯在特定应用背景下解决的问题。

在一个日益以可持续发展为导向的世界里，全球对减少消费后废弃物和一次性塑料的需求大幅增长，并正在影响着当前的行业格局。在此背景下，石墨烯已成为一种盟友和催化剂，可为市场提供可持续和性能驱动型解决方案。

石墨烯融入塑料后所带来的机械增益将彻底改变包装，最大限度地减少原始材料的使用，或增加消费后材料和 PCI 材料的使用，同时提高生产效率、产品性能并减少浪费。

为此，Gerdau Graphene 开发了高性能色母粒系列：将石墨烯浓缩物融入聚乙烯牌号中。

2.使用石墨烯的目的（150-200 字或更少）：阐明加入石墨烯的目的。

Gerdau Graphene 意识到减少塑料消耗量的迫切性，因此将其最初的石墨烯母料系列重点放在降低包装中的原始塑料消耗量以及增加 PCR 和 PCI 材料上。石墨烯是这一探索的最前沿，它是一种非凡的纳米碳材料，以其卓越的机械性能而闻名，可显著改善最终产品的工艺和性能。

在塑料中加入石墨烯，可以减少包装生产中对原生树脂的需求，同时提高效率，最大限度地减少包装过程中的损耗。这一战略不仅促进了可持续发展，还强调了减少能源消耗和温室气体排放的决心，同时也带来了巨大的经济效益。

此外，石墨烯还能改善加工性能，增强抗紫外线能力，降低摩擦系数（COF），并表现出卓越的热稳定性能。这就在供应链中减少了包装生产和分销过程中的能源消耗，从而节约了能源。

石墨烯为包装行业带来了一次革命性的机遇，并证明了将盈利性和可持续性相结合、在工业规模上提高效率的同时节约有限资源是可能的。

3.研究或真实世界应用描述（100-200 字或更少）：详细介绍涉及应用的研究或真实世界场景，如与水泥公司合作建桥。

Gerdau 石墨烯研发团队成功推出了商用聚乙烯母料。这种工业规模的母料经过专门设计，可在包装材料的聚合物基质中有效传输并均匀分散石墨烯。这一研发成果彰显了他们致力于提供适用于各种产品和工业流程的解决方案，而无需进行任何资本投资或大规模流程改造。

最初的试验从 Gerdau 开始，Gerdau 在建筑钉子制造领域拥有 120 多年的市场领先地位。在巴西，Gerdau 有三家工厂（RS、RJ 和 PE），专门生产 30 多种钉子 SKU，依靠柔性塑料包装来保护产品并在全国范围内分销。这些工厂总共管理着 15 条灌装线。

历史上，这种工艺曾导致灌装过程中包装被刺破。添加 1% 的 POLY-G 后，机械性能显著提高，包装厚度减少了 25%，灌装过程中的包装刺破率大幅降低了 39%。

该项目由 Gerdau（作为品牌所有者）、Lema Embalagens 和 Ruplast Embalagens（作为包装加工商和 Gerdau 的供应商）以及 Gerdau Graphene 共同开发。该项目是通过合作完成的，需要深入了解从包装制造商到制钉厂的工业流程。

4.石墨烯的作用和特性增强（200-250 字或更少）：解释石墨烯如何与基础材料相互作用，增强其特性。提供测量数据，说明改进的程度，并将这些改进与未经处理的材料和替代添加剂进行比较。数据和数字对这些案例研究至关重要。

添加到聚合物中后，石墨烯可作为一种增强填料。然而，由于石墨烯惊人的特性和高比表面积，其增强效果远远高于其他普通填料。由于石墨烯的高比表面积，它与聚合物大分子之间的相互作用很强，因此在机械应力作用下，任何类型的应力传递都非常有效。因此，在聚合物中添加微量石墨烯可大幅提高弹性模量和拉伸强度等机械性能，如图 1 所示，该图显示了在低密度聚乙烯（LDPE）中添加 1% Poly-G PE-07GM 的效果。可以看出，与纯低密度聚乙烯相比，添加剂使弹性模量增加了 75%，拉伸强度增加了 37%。

图 低密度聚乙烯和添加了 1% Poly-G PE-07GM 的低密度聚乙烯的机械性能比较。

5.结果的影响（150-200 字或更少）：讨论这些发现的反响，如商业产品的潜力，或向业界推出更具成本效益、更稳健、更快速或更轻便的解决方案。

塑料包装的主要消费者和品牌所有者对未来几年减少原生树脂用量和包装重量的要求十分苛刻。Gerdau Graphene 仅在 Gerdau 的钉子包装中加入 1%的石墨烯母料，就能满足客户的可持续发展要求和挑战。这包括通过更薄的包装减少 25% 的原生树脂消耗。在包装重量相同的情况下，可以生产更多数量的包装。因此，即使由于添加了石墨烯而导致新包装的每公斤成本增加，格尔道也实现了 9.8% 的总体成本降低。

包装薄 25% 也意味着树脂消耗量的直接减少，这对可持续发展具有重大影响。这意味着每年减少 72 吨的垃圾填埋量或回收量。由于石墨烯提高了抗拉强度，用于重新包装的能源减少了 39%，包装损坏率降低了 39%。

这一令人鼓舞的创新案例强调了对环境、社会和公司治理的承诺，从而大大减少了 Gerdau 价值链中的浪费，并降低了能耗。这是一个实实在在的例子，说明了合作创新如何通过减少对环境的影响和提高运营效率，为行业带来具体的效益。