廢棄塑料制備石墨化碳材料及結構表征

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，采用靜壓燒結方法在同一升溫速度， 同一壓強和不同溫度下廢棄塑料的碳化行為。研究發現高溫不僅有利于提高熱解碳的石墨化程度，還有利于對石墨化碳形貌的控制。

關鍵詞：廢棄塑料;靜壓燒結;形貌;石墨化碳

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A

碳材料由于其堆積密度高，比表面積較大以及其導熱、導電性優良， 使得作為高密度、高強度的材料廣泛地應用在國防、軍工、航天等國民生活、軍事防御的各個領域。近來如何制備形貌特征顯著、性能優異的石墨化碳材料已成為材料學科的研究熱點之一[1]。由于壓力可以對前驅體碳化過程中的粘度、相分離、碳的石墨化行為、溶解度以及密度等產生影響。因此壓力下熱解-碳化技術對于在更大范圍內控制材料的微觀結構組織與組分，以及優化材料性能提供了新途徑[2]。本文采用靜壓燒結技術，在相同壓力和溫度，不同的升溫速率對廢棄塑料的碳化行為進行了研究。

碳材料的合成采用國產六面頂壓機制備的。首先利用與葉臘石所需樣品尺寸相同的有關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行加熱。將壓力設定為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。對獲得的碳材料進行形貌和性能進行表征。

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形成球狀，“花瓣狀”疏松放射狀蜂窩結構也基本形成，但是碳微球都聚集在一起彼此粘連，分散性不好，出現了一定的團聚現象。在20 ℃/min升溫速率下得到的產物，如圖1（b）所示，可以看出20 ℃/min升溫速率下的碳微球形貌結構比較完美，大小均一且分散性好。由蜂窩狀片層網絡構成的球體，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成，但是可以看出球體的占比很大，底面的平鋪結構石墨片層也完全打開。25 ℃/min升溫速率下得到的材料，如圖1（c）所示，由于這時升溫速率較快，材料在適宜的溫度下沒有來的及形成分散的球體，片層沒有完全打開且球體形狀也沒有形成，只有少數“花朵”形狀的類球形結構。這種現象在30 ℃/min（1（d））的升溫速率下表現的尤為突出，這可能是片層結構根本來不及打開溫度便到達了碳化溫度，這個升溫速率下的材料以硬質的碳為主體，只有表面一層有稍許的片層結構，但是片層較少且厚度較大，這種片狀結構的產量很少。

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 ℃時樣品的X射線衍射圖譜。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度較高，隨著升溫速率的加快到20 ℃/min的時候，峰強繼續增大，而當升溫速率加快到25 ℃/min的時候峰強則變得很弱。通過XRD衍射圖譜可以得出在20 ℃/min以下時，隨著升溫速率的加快石墨化程度增高，類石墨特征峰變強。而當升溫速率在20 ℃/min以上時，類石墨特征峰變得很弱。15 ℃/min和20 ℃/min均有類石墨生成，但是20 ℃/min下的樣品結晶性要更好，特征峰更明顯。

本文采用廢棄塑料作原料，采用靜壓燒結的方法，研究了同一壓強和溫度下。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，蜂窩狀片層網絡結構的片層較薄，疏松多孔且分散性好的結論。

參考文獻

[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.

本文系吉林省大學生創新創業項目（立項批準號：S202110191071）的階段性成果”。