resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2024-29-4-651-660resar-604Research ArticleМатериаловедение и химические технологииMaterials science and chemical technologiesПолучение быстрым джоулевым нагревом углеродных графенсодержащих порошков и их применение в качестве модификаторов для стекловолокнаProduction of graphene-containing carbon powders via fast Joule heating for fiberglass modificationhttps://orcid.org/0000-0002-2212-2485ПрокопьевА. Р.ProkopevA. R.

Прокопьев Айсен Русланович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник; старший научный сотрудник

ResearcherID: AFG-0633-2022, Scopus Author ID: 57200722270

г. Якутск

Prokopev Aisen Ruslanovich, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher; Senior Researcher

ResearcherID: AFG-0633-2022, Scopus Author ID: 57200722270

Yakutsk

aisenprokopiev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8953-9309ВасильеваЕ. Д.VasilievaE. D.

Васильева Елена Дмитриевна, инженер, Академия наук; инженер

ResearcherID: ACN-5974-2022, Scopus Author ID: 58179742200

г. Якутск

Vasilieva Elena Dmitrievna, Engineer; Engineer

ResearcherID: ACN-5974-2022, Scopus Author ID: 58179742200

Yakutsk

vasilyeva_edm@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9514-8408ЛоскинН. Н.LoskinN. N.

Лоскин Николай Николаевич, лаборант-исследователь; лаборант

ResearcherID: HKO-8689-2023, Scopus Author ID: 58880184400

г. Якутск

Loskin Nikolay Nikolaevich, Laboratory Research Assistant; Laboratory Assistant

ResearcherID: HKO-8689-2023, Scopus Author ID: 58880184400

Yakutsk

loskin.origin99@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9639-7601ПоповД. Н.PopovD. N.

Попов Дмитрий Николаевич, лаборант-исследователь; лаборант

ResearcherID: HKO-8669-2023, Scopus Author ID: 58879397600

г. Якутск

Popov Dmitrii Nikolaevich, Laboratory Research Assistant; Laboratory Assistant

ResearcherID: HKO-8669-2023, Scopus Author ID: 58879397600

Yakutsk

dmiitryy09@gmail.comАкадемия наук Республики Саха (Якутия); Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. АммосоваРоссияAcademy of Sciences of the Republic of Sakha (Yakutia); Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation202426122024294651660Copyright © Прокопьев А.Р., Васильева Е.Д., Лоскин Н.Н., Попов Д.Н., 20242024Прокопьев А.Р., Васильева Е.Д., Лоскин Н.Н., Попов Д.Н.Prokopev A.R., Vasilieva E.D., Loskin N.N., Popov D.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/604

В работе представлено получение углеродных порошков, содержащих графеновые чешуйки. Синтез проводился методом быстрого джоулева нагрева смеси мелкодисперсного порошка полипропилена и технического углерода при соотношении 1:1. Для проведения процесса разработан и сконструирован экспериментальный макет установки, основой которого являются конденсаторный блок с общей емкостью 32 мФ и индуктор номиналом 24 мГн. Расчетная температура синтеза составила до 2200 °С при длительности около 32 мс. Для использования в качестве пропитывающего состава для стекловолокон был приготовлен раствор, включающий коллоидную дисперсию эпоксидной смолы, аминный отвердитель в смеси деионизированной воды и этилового спирта в отношениях 4 : 0,6 : 10 и 1 масс. % полученного углеродного порошка и технического углерода. Из исследований спектров комбинационного рассеяния света и оптической плотности в УФ-диапазоне следует, что синтезированные углеродные порошки содержат графеновые чешуйки с латеральными размерами до 13 нм. Элементный анализ показыает, что в пропитанном волокне наблюдается значительное повышение содержания атомов углерода по сравнению с исходным стекловолокном. Электрические измерения температурных зависимостей вольт-амперных характеристик показали наличие электропроводности при низких температурах, соответствующей сопротивлению до 8 МОм/кв. В перспективе, электрическая проводимость может быть повышена за счет повышения мощности разряда. Разработанный макет установки для проведения быстрого джоулева нагрева обладает потенциалом внедрения в область рациональной переработки пластиковых отходов. Полученные углеродные порошки могут выступать в качестве модифицирующих добавок для стекловолокна, используемых для создания стеклофибробетонов.

The present study outlines the synthesis of carbon that include graphene flakes. The production process employed rapid Joule heating of a mixture consisting of finely dispersed polypropylene powder and carbon black in a 1:1 ratio. An experimental model of the installation was developed and constructed, based on a capacitor bank with a total capacitance of 32 mF and an inductor with a nominal value of 24 mH for production purposes. A solution was prepared that included a colloidal dispersion of epoxy resins, an amine hardener in a mixture of deionized water and ethyl alcohol in a ratio of 4:0.6:10, along with 1 wt. % of the resulting carbon powder and carbon black, to be used as an impregnating compound for glass fibers. The estimated synthesis temperature reached up to 2200 °C, with a duration of approximately 32 ms. Studies of Raman spectra and optical density in the UV range indicate that the synthesized carbon powders contain graphene flakes with lateral dimensions of up to 13 nm. The results of elemental analysis reveal a significant increase in the carbon atom content in the impregnated fiber compared to the original glass fiber. Electrical measurements of the temperature dependence of the current-voltage (C-V) characteristics demonstrated the presence of electrical conductivity at low temperatures, corresponding to a resistance of up to 8 MΩ/sq. In the future, electrical conductivity may be enhanced by increasing the discharge power. The developed configuration for fast Joule heating has the potential to be integrated into the field of efficient recycling of plastic waste. The resulting carbon powders can serve as modifying additives for glass fiber used in the production of fiberglass concretes.

быстрый джоулев нагревграфеновые чешуйкимодификация поверхности стекловолоконспектроскопия комбинационного рассеяния светапереработка пластиковых отходовfast Joule heatinggraphene flakesmodification of the glass fiber surfaceRaman spectroscopyrecycling of plastic wasteРабота выполнена за счет финансирования в рамках комплексных научных исследований по теме «Разработка и исследование технологии переработки пластиковых и биологических отходов в графенсодержащий продукт методом джоулева нагрева для применения в области упрочняющих добавок конструкционных материалов в зонах Арктики и Субарктики Республики Саха (Якутия)», ГК № 8613 и в рамках проекта FSRG-2022-0011.This study was supported as part of a comprehensive scientific research on the theme “The development and research of technology for processing plastic and biological waste into graphene-containing products via Joule heating aimed at producing reinforcing additives of structural materials in the Arctic and Subarctic zones of the Republic of Sakha (Yakutia)”, GC No. 8613 and project No. FSRG-2022-0011.ReferencesAslan N. Structural, photovoltaic and optoelectronic properties of graphene–amorphous carbon nanocomposite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021;32(12):16927–16936. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06254-1Aslan N. Structural, photovoltaic and optoelectronic properties of graphene–amorphous carbon nanocomposite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021;32(12):16927–16936. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06254-1Bezzon V.D.N., Montanheiro T.L.A., de Menezes B.R.C., et al. Carbon nanostructure-based sensors: a brief review on recent advances. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;2019:4293073. https://doi.org/10.1155/2019/4293073Bezzon V.D.N., Montanheiro T.L.A., de Menezes B.R.C., et al. Carbon nanostructure-based sensors: a brief review on recent advances. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;2019:4293073. https://doi.org/10.1155/2019/4293073Дроздов М.Н., Дроздов Ю.Н., Охапкин А.И. и др. Анализ углеродсодержащих материалов методом вторично-ионной масс-спектрометрии: содержание атомов углерода в sp2 -и sp3 -гибридных состояниях. Письма в Журнал технической физики. 2020;46(6):38–42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.06.49164.18151Drozdov M.N., Drozdov Y.N., Okhapkin A.I., et al. SIMS analysis of carbon-containing materials: content of carbon atoms in sp2 and sp3 hybridization states. Technical Physics Letters. 2020;46:290–294. https://doi.org/10.1134/S1063785020030190Mbayachi V.B., Ngayiragije E., Sammani T., et al. Graphene synthesis, characterization and its applications: A review. Results in Chemistry. 2021;3:100163. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2021.100163Mbayachi V.B., Ngayiragije E., Sammani T., et al. Graphene synthesis, characterization and its applications: A review. Results in Chemistry. 2021;3:100163. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2021.100163Luong D.X., Bets K.V., Algozeeb W.A., et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature. 2020;577(7792):647–651. https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0Luong D.X., Bets K.V., Algozeeb W.A., et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature. 2020;577(7792):647–651. https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0Wang J., Ren Zh., Hou Y., et al. A review of graphene synthesis at low temperatures by CVD methods. New Carbon Materials. 2020;35(3):193–208. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(20)60484-XWang J., Ren Zh., Hou Y., et al. A review of graphene synthesis at low temperatures by CVD methods. New Carbon Materials. 2020;35(3):193–208. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(20)60484-XDe Silva K.K.H., Huang H.H., Joshi R., et al. Restoration of the graphitic structure by defect repair during the thermal reduction of graphene oxide. Carbon. 2020; 166:74–90. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.015De Silva K.K.H., Huang H.H., Joshi R., et al. Restoration of the graphitic structure by defect repair during the thermal reduction of graphene oxide. Carbon. 2020; 166:74–90. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.015Chamoli P., Banerjee S., Raina K.K., et al. Characteristics of graphene/reduced graphene oxide. In: Kar K. (ed.) Handbook of Nanocomposite Supercapacitor Materials I: Characteristics. Springer Series in Materials Science, vol. 300. Springer, Cham. 2020, pp. 155–177. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43009-2_5Chamoli P., Banerjee S., Raina K.K., et al. Characteristics of graphene/reduced graphene oxide. In: Kar K. (ed.) Handbook of Nanocomposite Supercapacitor Materials I: Characteristics. Springer Series in Materials Science, vol. 300. Springer, Cham. 2020, pp. 155–177. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43009-2_5Иванов-Омский В.И., Лодыгин А.Б., Ястребов С.Г. Сканирующие туннельные микроскопия и спектроскопия аморфного углерода: Обзор. Физика и техника полупроводников. 2000;34(12):1409–1416.Ivanov-Omskiy V.I., Lodygin A.B., Yastrebov S.G. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of amorphous carbon. Fizika i Tehnica Poluprovodnikov. 2000;34(12):1409–1416. (In Russ.)Ferrari A.C., Kleinosorge B., Morrison N., et al. Stress reduction and bond stability during thermal annealing of tetrahedral amorphous carbon. Journal of Applied Physics. 1999;85(10):7191–7197. https://doi.org/10.1063/1.370531Ferrari A.C., Kleinosorge B., Morrison N., et al. Stress reduction and bond stability during thermal annealing of tetrahedral amorphous carbon. Journal of Applied Physics. 1999;85(10):7191–7197. https://doi.org/10.1063/1.370531Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B. 2000;61(20):14095. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B. 2000;61(20):14095. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095Рустамова Е.Г., Губин С.П. Композиты графен–полиэтилен высокого давления и их свойства. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2021;13(3):369–376.Rustamova E.G., Gubin S.P. Graphene-polyethylene high pressure composites and their properties. Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tehnologii. 2021; 13(3):369–376. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.10.038665Chen J., Jia C., Wan Z. Novel hybrid nanocomposite based on poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)/multiwalled carbon nanotubes/graphene as electrode material for supercapacitor. Synthetic Metals. 2014;189:69–76. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2014.01.001Chen J., Jia C., Wan Z. Novel hybrid nanocomposite based on poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)/multiwalled carbon nanotubes/graphene as electrode material for supercapacitor. Synthetic Metals. 2014;189:69–76. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2014.01.001Liu Z., Qian Z., Song J., et al Conducting and stretchable composites using sandwiched graphene-carbon nanotube hybrids and styrene-butadiene rubber. Carbon. 2019;149:181–189. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.037Liu Z., Qian Z., Song J., et al Conducting and stretchable composites using sandwiched graphene-carbon nanotube hybrids and styrene-butadiene rubber. Carbon. 2019;149:181–189. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.037Feng J., Dong L., Li D., et al. Hierarchically stacked reduced graphene oxide/carbon nanotubes for as high performance anode for sodium-ion batteries. Electrochimica Acta. 2019;302:65–70. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.02.008Feng J., Dong L., Li D., et al. Hierarchically stacked reduced graphene oxide/carbon nanotubes for as high performance anode for sodium-ion batteries. Electrochimica Acta. 2019;302:65–70. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.02.008Pham K.C., McPhail D.S., Mattevi C., et al. Graphene-carbon nanotube hybrids as robust catalyst supports in proton exchange membrane fuel cells. Journal of the Electrochemical Society. 2016;163(3):255. https://doi.org/10.1149/2.0891603jesPham K.C., McPhail D.S., Mattevi C., et al. Graphene-carbon nanotube hybrids as robust catalyst supports in proton exchange membrane fuel cells. Journal of the Electrochemical Society. 2016;163(3):255. https://doi.org/10.1149/2.0891603jesDilfi K.F.A., Che Z., Xian G. Grafting ramie fiber with carbon nanotube and its effect on the mechanical and interfacial properties of ramie/epoxy composites. Journal of Natural Fibers. 2019;16(3):388–403. https://doi.org/10.1080/15440478.2017.1423259Dilfi K.F.A., Che Z., Xian G. Grafting ramie fiber with carbon nanotube and its effect on the mechanical and interfacial properties of ramie/epoxy composites. Journal of Natural Fibers. 2019;16(3):388–403. https://doi.org/10.1080/15440478.2017.1423259Wang W., Xian G., Li H. Surface modification of ramie fibers with silanized CNTs through a simple spraycoating method. Cellulose. 2019;26:8165–8178. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02663-yWang W., Xian G., Li H. Surface modification of ramie fibers with silanized CNTs through a simple spraycoating method. Cellulose. 2019;26:8165–8178. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02663-yСтоляренко В.И., Ольшанский В.И. Физические методы модификации структуры и свойств полимерных композиционных материалов на основе стеклоткани. Вестник Тверского государственного технического университета. Серия Строительство. Электротехника и химические технологии. 2022; 14(2):74–85. https://doi.org/10.46573/2658-7459-2022-2-74-85Stolyarenko V.I., Olshansky V.I. Physical methods for modifying the structure and properties of polymer composite materials based on glass fiber. Vestnik of Tver State Technical University. Series “Building. Electrical engineering and chemical technology”. 2022;2(14):74–85. (In Russ.) https://doi.org/10.46573/2658-7459-2022-2-74-85.Бахолдин Д. Г. Применение композитных материалов в строительстве. Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2024;5-1(92): 189–192. https://doi.org/10.24412/2500-1000-2024-5-1-189-192.Bakholdin D.G. The use of composite materials in construction. International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2024;5-1(92):189–192. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2500-1000-2024-5-1-189-192.Jahromi S.G. Effect of carbon nanofiber on mechanical behavior of asphalt concrete. International Journal of Sustainable Construction Engineering and Techno logy. 2015;6(2):57–66.Jahromi S.G. Effect of carbon nanofiber on mechanical behavior of asphalt concrete. International Journal of Sustainable Construction Engineering and Techno logy. 2015;6(2):57–66.Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science. 2008;320(5881):1308–1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science. 2008;320(5881):1308–1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond–like carbon, and nanodiamond. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2004;362(1824):2477–2512. https://doi.org/10.1098/rsta.2004.1452Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond–like carbon, and nanodiamond. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2004;362(1824):2477–2512. https://doi.org/10.1098/rsta.2004.1452Sheka E.F., Golubev Y.A., Popova N.A. Graphene domain signature of Raman spectra of sp 2 amorphous carbons. Nanomaterials. 2020;10(10):2021.Sheka E.F., Golubev Y.A., Popova N.A. Graphene domain signature of Raman spectra of sp 2 amorphous carbons. Nanomaterials. 2020;10(10):2021.Савватимский А.И., Онуфриев С.В. Исследование физических свойств углерода при высоких температурах (по материалам экспериментальных работ). Успехи физических наук. 2020;190(10):1085–1108. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.10.038665.Savvatimskii A. I., Onufriev S. V. Investigation of the physical properties of carbon under high temperatures (experimental studies). Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2020;63(10):1015.Cançado L.G., Takai K., Enoki T., et al. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy. Applied Physics Letters. 2006;88(16):163106. https://doi.org/10.1063/1.2196057.Cançado L.G., Takai K., Enoki T., et al. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy. Applied Physics Letters. 2006;88(16):163106. https://doi.org/10.1063/1.2196057.Acik M., Lee G., Mattevi C., et al. The role of oxygen during thermal reduction of graphene oxide studied by infrared absorption spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 2011;115(40):19761–19781. https://doi.org/10.1021/jp2052618Acik M., Lee G., Mattevi C., et al. The role of oxygen during thermal reduction of graphene oxide studied by infrared absorption spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 2011;115(40):19761–19781. https://doi.org/10.1021/jp2052618

The authors declare that there are no conflicts of interest present.