煤炭绿色升级：闪蒸石墨烯在环氧树脂中的高负载应用，显著提升力学性能

2022年，美国莱斯大学的James M. Tour、Satish Nagarajaiah和Matteo Pasquali教授等人在《Macromolecular Materials and Engineering》上发表了题为“Ultra-High Loading of Coal-Derived Flash Graphene Additives in Epoxy Composites”的论文，通过闪蒸焦耳加热技术将冶金焦炭转化为高质量的闪蒸石墨烯，并将其以高负载比例（20-50%）掺入双酚A环氧树脂中，成功制备出力学性能显著增强的石墨烯-环氧复合材料。研究表明，这种复合材料在杨氏模量、硬度、抗压强度、最大应变和韧性方面均有大幅提升，同时通过替代部分环氧树脂，还显著降低了生产过程中的环境影响。这项技术展示了石墨烯在工业应用中的巨大潜力，为煤炭材料的绿色应用提供了新的途径。

https://doi.org/10.1002/mame.202200640

研究背景

1.传统石墨烯生产挑战：石墨烯因其优异的热、电、机械性能在复合材料中备受青睐。然而，传统的石墨烯生产方法如机械剥离和化学氧化，因其高昂的生产成本，限制了其在工业规模上的广泛应用。

2.闪蒸焦耳加热技术的应用：近年来，闪蒸焦耳加热（FJH）技术的兴起，为石墨烯的快速大规模生产提供了新的途径。该技术能够利用低成本的碳源，如冶金焦炭（MC），将其快速转化为闪蒸石墨烯（MCFG），从而大幅降低生产成本。

3.研究目的：本研究旨在探索高填充率下，将MCFG与双酚A环氧树脂（DGEBA）复合，制备具有优异力学性能的石墨烯-环氧复合材料。研究的重点在于通过引入MCFG，显著提升复合材料的力学性能，同时减少材料的生产成本和环境影响。

研究方法

1.MCFG的制备与表征：通过闪蒸焦耳加热技术，将冶金焦炭转化为闪蒸石墨烯（MCFG）。随后，利用拉曼光谱和X射线衍射（XRD）等技术对MCFG的质量进行表征。

2.复合材料的制备：将MCFG与双酚A环氧树脂（DGEBA）和1,5-二氨基-2-甲基戊烷固化剂混合，通过机械搅拌和高剪切混合制备不同比例的MCFG:DGEBA复合材料，并对其进行固化处理，得到最终的复合材料样品。

3.性能测试：对制备的复合材料进行一系列的热力学和机械性能测试，包括热重分析（TGA）、压缩测试和纳米压痕测试，以评估其热稳定性、杨氏模量、硬度、抗压强度和韧性等性能指标。

图1. MCFG:DGEBA复合材料制备示意图

研究结果

1.力学性能的提升：随着MCFG含量的增加，复合材料的力学性能显著提升。在MCFG:DGEBA比例为1:3时，复合材料的杨氏模量提高了92%，硬度提高了140%，抗压强度提高了145%，最大应变增加了61%，韧性增加了496%。

2.环境影响的降低：实验结果还表明，随着MCFG含量的增加，复合材料的温室气体排放、水资源消耗和能源消耗显著减少。在MCFG:DGEBA比例为1:1时，温室气体排放减少了33%，水资源消耗减少了47%，能源消耗减少了34%。

展望

1.技术潜力：本研究证明了通过闪蒸焦耳加热技术生产石墨烯，并将其大规模应用于高负载复合材料的可行性。这种技术不仅大幅降低了石墨烯复合材料的生产成本，还为煤炭材料提供了环保的新应用方向。

2.未来优化与应用前景：随着闪蒸焦耳加热技术的进一步优化，如增加批量生产规模、降低能耗，石墨烯复合材料的成本和环境影响预计将进一步降低，这将推动其在更多工业领域中的应用。