新科技:瀝青可變成石墨烯複合材料

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【大紀元2022年12月01日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)美國萊斯大學的材料科學和納米工程助理研究教授穆罕默德‧拉赫曼(Muhammad Rahman)與他的合作者,通過獨特的閃光焦耳加熱法(FJH)工藝,將富含碳元素的瀝青廢料轉化為有用且高價值的石墨烯。

這種閃光焦耳轉變方法的論文11月18日發表在《科學》雜誌上,並且獲得美國空軍科學研究辦公室、美國陸軍工程兵團和美國國家實驗室的資助和支持。

論文提到,石油原油在精煉過程會產生大量的瀝青質,目前估計全球大約有1至2萬億桶。但瀝青在處理和生產過程中會帶來複雜的問題,一般都被當作燃料再利用,或被丟棄到尾礦池(礦渣堆)、垃圾掩埋場和變成柏油路,但丟棄和燃燒處理不當容易造成環境破壞。

研究人員用閃光焦耳加熱法(FJH),將低價值的瀝青轉化為高價值的衍生品——閃光石墨烯(AFG)。這種方法能夠在1秒左右生產出閃光石墨烯(幾層石墨烯疊加),減少了許多能量和二氧化碳的消耗。

閃光焦耳加熱法(FJH)是在兩個銅電極之間的石英管內,依次使用185V、250V、250V和370V電壓、頻率為1000Hz的可變脈衝對瀝青質進行電擊,產生出近3000度的極高溫,讓瀝青質轉變成AFG。

為了測試其機械性質,研究人員將環氧樹脂和1 wt%(重量百分濃度)、3 wt%、5 wt%的AFG進行混合,並與純AFG進行拉伸強度、楊氏模量和韌性的機械性能進行比較。結果顯示,環氧樹脂和1%的AFG混合表現出來的機械性最為良好,因為拉伸強度增加了37%,楊氏模量增加了12%,韌性增加了75%。

另外,他們為了觀察環氧樹脂-AFG納米複合材料的熱性質,用白光射進純環氧樹脂和環氧樹脂-AFG奈米複合材料,並用熱紅外(IR)相機觀測材料溫度上升情況。

結果顯示,純環氧樹脂的感應熱集中在較小的區域,且溫度上升比較多,但環氧樹脂-AFG納米複合材料熱感應比較分散,溫度也上升比較小。他們還發現,AFG含量越高溫度上升越少,這也證明環氧樹脂-AFG納米複合材料熱傳導,比純環氧樹脂來得更好。

研究人員還將環氧樹脂-AFG做耐腐蝕測試,他們將其包裹在低碳鋼(MS)上作為腐蝕保護層,發現環氧樹脂-AFG中AFG含量10 wt%比純環氧樹脂和其它wt%的納米複合材料保護效果都要好。

最後,他們使用環氧樹脂-AFG奈米複合材料去做3D打印,打印出來的成品放置室溫48小時,且將物體持續加熱1小時至130°C都不變形,試驗結果相當成功。

試驗證明,與一般的純環氧樹脂聚合物相比,環氧樹脂-AFG納米複合材料具有優異的機械、熱傳導和耐腐蝕性能,且能作為3D打印的材料。

與拉赫曼一起工作的薩迪(M.A.S.R. Saadi)將石墨烯混合到複合材料中,然後混合到用於3D打印機的聚合物墨水中。他對萊斯大學新聞室表示,「我們已經優化了其3D打印墨水,證明它是可打印的。」

另外,在瀝青質使用FJH工藝生產AFG的過程中,產生的污染較少,且生產出的高價值同素異形體石墨烯可應用到工業上。

拉赫曼對萊斯大學新聞室表示,「瀝青質目前是石油行業的一大難題,我認為石油行業會對此很感興趣,因為這是一種可持續的方法,可以減少燃燒瀝青質產生的碳排放。」

另外,該實驗報告的化學家詹姆斯‧圖爾(James Tour)團隊認為,閃光焦耳加熱法對瀝青質的處理方法與對其它原料(包括塑料、電子垃圾、輪胎、煤粉煤灰、汽車零件)處理起來一樣有效,研究人員下一步將用這些石墨烯製造更多東西。◇

責任編輯:連書華#

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