长安大学CBM：闪蒸焦耳加热法制备高性能石墨烯增强水泥砂浆

随着汽车和橡胶工业的快速发展，全球每年产生的废橡胶产品数量巨大，包括汽车轮胎、橡胶手套、橡胶鞋等。传统的处理方法包括填埋、翻新和回收、热能利用和热解等。其中，填埋是最原始的处理方法，会造成地下水质量和周围土壤污染。热能利用虽然是一种有价值的回收方法，但应用并不广泛。热解是一种热化学处理方法，在非氧化条件下（惰性气氛或真空）分解化合物的化学键。从回收的角度来看，该方法的主要优势是能够处理废物并生成附加值产品，如焦油和炭黑。然而，这个过程消耗了大量的能源。因此，探索更先进的废橡胶回收方法具有重要意义。本研究旨在利用闪蒸焦耳加热技术将废橡胶粉转化为高价值石墨烯，并研究其对水泥基材料性能的影响。

论文概要

2024年10月26日， 长安大学何锐教授在期刊Construction and Building Materials上发表了题为“Synthesis of graphene from waste rubber powder based on flash joule heating method and its influence on the performance of cement mortar”的论文。该论文探讨了利用闪蒸焦耳加热（FJH）方法从废橡胶粉中合成石墨烯，并研究了石墨烯对水泥砂浆性能的影响。研究发现，成功将废橡胶粉转化为缺陷较少的多层石墨烯，并通过拉曼光谱、X射线衍射、热重分析和X射线光电子能谱等手段证明了石墨烯的特性。此外，加入石墨烯的水泥砂浆表现出更好的力学性能，孔隙结构得到优化，孔隙率和平均孔径减小。微观分析表明，石墨烯使得水化产物排列更紧密，孔隙和裂纹减少。原子力显微镜结果显示，石墨烯有效提高了纳米级界面的平均弹性模量。这项研究不仅实现了废橡胶的回收利用，还证实了石墨烯在水泥复合材料中的潜力，为可持续发展做出了贡献。

研究亮点

• 废橡胶粉的高值化利用: 利用闪蒸焦耳加热技术将废橡胶粉转化为高纯度石墨烯，实现了废橡胶粉的高值化利用，为解决“黑色污染”问题提供了新的思路。
• 闪蒸焦耳加热技术的应用: 闪蒸焦耳加热技术具有快速高效、能耗低等优点，为石墨烯的制备提供了一种新的绿色方法，有望降低石墨烯的生产成本，推动其在水泥基材料中的应用。
• 石墨烯对水泥砂浆性能的提升: 研究发现，石墨烯能够显著提高水泥砂浆的力学性能，优化孔隙结构，降低孔隙率和孔隙尺寸，并使水化产物排列更加致密，从而提高水泥砂浆的强度和耐久性。
• 石墨烯对水泥砂浆界面过渡区的影响: 通过原子力显微镜观察到，石墨烯能够提高水泥砂浆界面过渡区的弹性模量，使其变形抗力更大，从而进一步提高水泥砂浆的整体性能。

图文概览

图1：制备和分散FG的过程

展示了利用闪蒸焦耳加热法制备石墨烯的完整流程。首先，将废橡胶粉与碳黑混合，并填充到石英管中。两端用石墨块密封，并连接电极。通过电容放电，产生瞬间高温，将废橡胶粉转化为石墨烯。最后，将石墨烯分散到水中，并添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为分散剂，制备成石墨烯水溶液。该流程图简洁明了，展示了实验步骤和关键设备，为后续实验提供了清晰的指导。

图4：FG的表征和评估

通过多种表征手段全面分析了制备的石墨烯的物理和化学性质。拉曼光谱显示了石墨烯的特征峰（D、G 和 2D），其中 G 峰代表层间振动，D 峰代表缺陷，2D 峰代表层间距。XRD 图谱显示了石墨烯的 (002) 晶面衍射峰，表明其具有良好的石墨化程度。TGA 曲线显示石墨烯在高温下具有优异的热稳定性。XPS 谱图显示了石墨烯的高碳含量和低杂质含量，进一步证实了其高纯度。这些表征结果为石墨烯的结构和性质提供了可靠的数据支持。

图5：FG的微观形貌

通过 SEM 和 TEM 图像直观地展示了石墨烯的微观形貌。OFG 显示了类似于“钟乳石”的三维结构，表明其缺陷较多。TFG 显示了典型的多层石墨烯纳米片结构，表明其缺陷较少且层间距较小。SEM 和 TEM 结果与 Raman 和 XRD 结果一致，进一步证实了 TFG 具有更高的质量。

图6：FG含量对水泥砂浆力学性能的影响

展示了不同石墨烯含量对水泥砂浆力学性能（抗压强度和抗折强度）的影响。随着石墨烯含量的增加，水泥砂浆的强度先升高后降低。在 0.04% 的石墨烯含量下，水泥砂浆的强度达到最大值，表明该含量下石墨烯的增强效果最佳。这表明石墨烯可以显著提高水泥砂浆的力学性能，但其增强效果受到石墨烯含量和分散性的影响。

图7：FG对水泥砂浆孔隙结构的影响

展示了不同石墨烯含量对水泥砂浆孔隙结构的影响。随着石墨烯含量的增加，水泥砂浆的孔隙率总体呈下降趋势，表明石墨烯能够有效填充孔隙。同时，平均孔隙尺寸也呈下降趋势，表明石墨烯能够优化孔隙结构。在 0.04% 的石墨烯含量下，水泥砂浆的孔隙结构和力学性能都达到最佳，进一步证实了该含量下石墨烯的增强效果最佳。

总结展望

总之，本文研究了利用闪蒸焦耳加热法制备石墨烯及其在水泥砂浆中的应用。研究发现，闪蒸焦耳加热技术能够高效地将废橡胶粉转化为高纯度、低缺陷的多层石墨烯。制备的石墨烯具有良好的热稳定性、优异的力学性能和优异的孔隙结构优化能力。将石墨烯作为水泥砂浆的增强材料，可以有效提高水泥砂浆的强度和耐久性，并优化其孔隙结构。该研究为废橡胶粉的高值化利用和石墨烯在水泥基材料中的应用提供了新的思路，为推动可持续发展和绿色建材产业发展具有重要意义。

文献信息

Chengbin Wang, Bin Wang, Xinghua Su, Rui He. Synthesis of graphene from waste rubber powder based on flash joule heating method and its influence on the performance of cement mortar. Construction and Building Materials, Volume 451, 2024, 138871, ISSN 0950-0618.

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138871.