廢棄塑料制備石墨化碳材料及結(jié)構(gòu)表征

鄭繼軍 崔健磊 劉江 竇睿智 劉亞冰

摘要：以廢棄塑料為原材料，采用靜壓燒結(jié)方法在同一升溫速度， 同一壓強(qiáng)和不同溫度下廢棄塑料的碳化行為。研究發(fā)現(xiàn)高溫不僅有利于提高熱解碳的石墨化程度，還有利于對(duì)石墨化碳形貌的控制。

關(guān)鍵詞：廢棄塑料;靜壓燒結(jié);形貌;石墨化碳

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

碳材料由于其堆積密度高，比表面積較大以及其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性?xún)?yōu)良， 使得作為高密度、高強(qiáng)度的材料廣泛地應(yīng)用在國(guó)防、軍工、航天等國(guó)民生活、軍事防御的各個(gè)領(lǐng)域。近來(lái)如何制備形貌特征顯著、性能優(yōu)異的石墨化碳材料已成為材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一[1]。由于壓力可以對(duì)前驅(qū)體碳化過(guò)程中的粘度、相分離、碳的石墨化行為、溶解度以及密度等產(chǎn)生影響。因此壓力下熱解-碳化技術(shù)對(duì)于在更大范圍內(nèi)控制材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)組織與組分，以及優(yōu)化材料性能提供了新途徑[2]。本文采用靜壓燒結(jié)技術(shù)，在相同壓力和溫度，不同的升溫速率對(duì)廢棄塑料的碳化行為進(jìn)行了研究。

碳材料的合成采用國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)制備的。首先利用與葉臘石所需樣品尺寸相同的有關(guān)模具將廢棄濾紙成型，再把成型后的試樣放置于入葉臘石合成塊中，然后采用旁熱式加熱法進(jìn)行加熱。將壓力設(shè)定為3GPa不變，以15 ℃/min的升溫速率升高到200 ℃，然后分別以15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min和30℃/min的升溫速率將溫度升高到800 ℃，保溫30 min，最后以90 ℃/min的速率將溫度降低到室溫。對(duì)獲得的碳材料進(jìn)行形貌和性能進(jìn)行表征。

以15 ℃/min的升溫速率慢升溫到800 ℃的掃描電子顯微鏡圖片，如圖1（a）所示，可以看出材料在15 ℃/min的升溫速率下基本已經(jīng)形成球狀，“花瓣?duì)睢笔杷煞派錉罘涓C結(jié)構(gòu)也基本形成，但是碳微球都聚集在一起彼此粘連，分散性不好，出現(xiàn)了一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。在20 ℃/min升溫速率下得到的產(chǎn)物，如圖1（b）所示，可以看出20 ℃/min升溫速率下的碳微球形貌結(jié)構(gòu)比較完美，大小均一且分散性好。由蜂窩狀片層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的球體，疏松多孔呈放射狀，片層很薄，球體直徑在2～3微米之間，雖然并不完全由球體構(gòu)成，但是可以看出球體的占比很大，底面的平鋪結(jié)構(gòu)石墨片層也完全打開(kāi)。25 ℃/min升溫速率下得到的材料，如圖1（c）所示，由于這時(shí)升溫速率較快，材料在適宜的溫度下沒(méi)有來(lái)的及形成分散的球體，片層沒(méi)有完全打開(kāi)且球體形狀也沒(méi)有形成，只有少數(shù)“花朵”形狀的類(lèi)球形結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象在30 ℃/min（1（d））的升溫速率下表現(xiàn)的尤為突出，這可能是片層結(jié)構(gòu)根本來(lái)不及打開(kāi)溫度便到達(dá)了碳化溫度，這個(gè)升溫速率下的材料以硬質(zhì)的碳為主體，只有表面一層有稍許的片層結(jié)構(gòu)，但是片層較少且厚度較大，這種片狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量很少。

圖2為4 GPa壓力下分別以15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min升溫速率將溫度升高到800 ℃時(shí)樣品的X射線(xiàn)衍射圖譜。從圖中可以看出在15 ℃/min升溫速率下，（0 0 2）晶面的衍射峰峰形較窄強(qiáng)度較高，隨著升溫速率的加快到20 ℃/min的時(shí)候，峰強(qiáng)繼續(xù)增大，而當(dāng)升溫速率加快到25 ℃/min的時(shí)候峰強(qiáng)則變得很弱。通過(guò)XRD衍射圖譜可以得出在20 ℃/min以下時(shí)，隨著升溫速率的加快石墨化程度增高，類(lèi)石墨特征峰變強(qiáng)。而當(dāng)升溫速率在20 ℃/min以上時(shí)，類(lèi)石墨特征峰變得很弱。15 ℃/min和20 ℃/min均有類(lèi)石墨生成，但是20 ℃/min下的樣品結(jié)晶性要更好，特征峰更明顯。

本文采用廢棄塑料作原料，采用靜壓燒結(jié)的方法，研究了同一壓強(qiáng)和溫度下。不同升溫速率的碳化行為。得出在20 ℃/min下得到的碳球形貌較好，蜂窩狀片層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的片層較薄，疏松多孔且分散性好的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1] Yang F.， Tan J.， Sui X. Analysis of Environmental Protection Constraint of Energy Development[M]. 2019.

[2] Das T. K.， Ghosh P.， Das N. C. Preparation， development， outcomes， and? application versatility of carbon fiber-based polymer composites： a review[J]. Advanced Composites and Hybrid Materials， 2019：1-20.

本文系吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：S202110191071）的階段性成果”。