美国莱斯大学实现从橡胶废料中生产石墨烯工艺

陈济桁
　　美国莱斯大学（Rice University）图尔研究团队此前于2020年10月推出的“闪蒸”石墨烯工艺现已得到进一步优化，目前已经可以实现将橡胶轮胎废料转化为石墨烯，应用于混凝土增强。
　　在橡胶轮胎或橡胶管中，原子一般以有价值的涡轮式乱层石墨烯形式排列，层间存在错位。这种结构比从传统的石墨中剥离产生的石墨烯更易溶，更易在复合材料中应用。事实证明，与食品废料或塑料相比，想要将橡胶转化为石墨烯更具挑战性，但实验室通过使用轮胎中的商用热解废橡胶优化了工艺。研究人员表示，从废旧轮胎中提取有用油脂后，其他碳残留物的价值截至目前几乎为零。
　　通过技术的不断改进，目前已经可以将炭黑或碎橡胶轮胎与商用炭黑材料的混合物通过“闪蒸”工艺制造石墨烯，提升碳残留物的价值。由于用这种方式获得的涡轮式乱层石墨烯是可溶的，因此可以将其轻松的与水泥混合制成更环保混凝土材料。
　　莱斯大学实验室通过“闪蒸”废旧轮胎碳残留物炭黑，发现大约70%的废料转化为石墨烯。当将切碎的橡胶轮胎与普通炭黑混合使用以增加导电性时，约47%的物质转化为石墨烯。除了碳以外，其他元素也通过这种方式回收满足其他领域的应用。
　　闪蒸过程中的电脉冲持续300毫秒至1秒不等。经过实验室的测算，转换过程中处理1吨原料碳将花费约100美元的电力。
　　研究人员将微量的轮胎衍生石墨烯与硅酸盐水泥混合在一起（使用轮胎炭黑质量分数为0.1%，使用轮胎炭黑和切碎轮胎胶粒的质量分数为0.05%），并将其用于生产成混凝土圆柱体。在固化7天后进行测试，圆柱体的抗压强度提高了30%以上。28天后，使用0.1%质量分数的石墨烯，已经足以使得产品强度至少增加30%。
　　研究人员表示，这种强度的提高部分归结于二维材料石墨烯的催化效应，促进水泥水合物产品更紧实，另一部分归因于则归因于后期的材料固有的增强作用。