废弃塑料制备石墨化碳材料及结构表征

郑继军 崔健磊 刘江 窦睿智 刘亚冰

摘要：以废弃塑料为原材料，采用静压烧结方法在同一升温速度， 同一压强和不同温度下废弃塑料的碳化行为。研究发现高温不仅有利于提高热解碳的石墨化程度，还有利于对石墨化碳形貌的控制。

关键词：废弃塑料;静压烧结;形貌;石墨化碳

中图分类号：G4 文献标识码：A

碳材料由于其堆积密度高，比表面积较大以及其导热、导电性优良， 使得作为高密度、高强度的材料广泛地应用在国防、军工、航天等国民生活、军事防御的各个领域。近来如何制备形貌特征显著、性能优异的石墨化碳材料已成为材料学科的研究熱点之一[1]。由于压力可以对前驱体碳化过程中的粘度、相分离、碳的石墨化行为、溶解度以及密度等产生影响。因此压力下热解-碳化技术对于在更大范围内控制材料的微观结构组织与组分，以及优化材料性能提供了新途径[2]。本文采用静压烧结技术，在相同压力和温度，不同的升温速率对废弃塑料的碳化行为进行了研究。

碳材料的合成采用国产六面顶压机制备的。首先利用与叶腊石所需样品尺寸相同的有关模具将废弃滤纸成型，再把成型后的试样放置于入叶腊石合成块中，然后采用旁热式加热法进行加热。将压力设定为3GPa不变，以15 ℃/min的升温速率升高到200 ℃，然后分别以15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min和30℃/min的升温速率将温度升高到800 ℃，保温30 min，最后以90 ℃/min的速率将温度降低到室温。对获得的碳材料进行形貌和性能进行表征。

以15 ℃/min的升温速率慢升温到800 ℃的扫描电子显微镜图片，如图1（a）所示，可以看出材料在15 ℃/min的升温速率下基本已经形成球状，“花瓣状”疏松放射状蜂窝结构也基本形成，但是碳微球都聚集在一起彼此粘连，分散性不好，出现了一定的团聚现象。在20 ℃/min升温速率下得到的产物，如图1（b）所示，可以看出20 ℃/min升温速率下的碳微球形貌结构比较完美，大小均一且分散性好。由蜂窝状片层网络构成的球体，疏松多孔呈放射状，片层很薄，球体直径在2～3微米之间，虽然并不完全由球体构成，但是可以看出球体的占比很大，底面的平铺结构石墨片层也完全打开。25 ℃/min升温速率下得到的材料，如图1（c）所示，由于这时升温速率较快，材料在适宜的温度下没有来的及形成分散的球体，片层没有完全打开且球体形状也没有形成，只有少数“花朵”形状的类球形结构。这种现象在30 ℃/min（1（d））的升温速率下表现的尤为突出，这可能是片层结构根本来不及打开温度便到达了碳化温度，这个升温速率下的材料以硬质的碳为主体，只有表面一层有稍许的片层结构，但是片层较少且厚度较大，这种片状结构的产量很少。

图2为4 GPa压力下分别以15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min升温速率将温度升高到800 ℃时样品的X射线衍射图谱。从图中可以看出在15 ℃/min升温速率下，（0 0 2）晶面的衍射峰峰形较窄强度较高，随着升温速率的加快到20 ℃/min的时候，峰强继续增大，而当升温速率加快到25 ℃/min的时候峰强则变得很弱。通过XRD衍射图谱可以得出在20 ℃/min以下时，随着升温速率的加快石墨化程度增高，类石墨特征峰变强。而当升温速率在20 ℃/min以上时，类石墨特征峰变得很弱。15 ℃/min和20 ℃/min均有类石墨生成，但是20 ℃/min下的样品结晶性要更好，特征峰更明显。

本文采用废弃塑料作原料，采用静压烧结的方法，研究了同一压强和温度下。不同升温速率的碳化行为。得出在20 ℃/min下得到的碳球形貌较好，蜂窝状片层网络结构的片层较薄，疏松多孔且分散性好的结论。

参考文献

[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.

本文系吉林省大学生创新创业项目（立项批准号：S202110191071）的阶段性成果”。