Получение быстрым джоулевым нагревом углеродных графенсодержащих порошков и их применение в качестве модификаторов для стекловолокна

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.

1. Aslan 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/s10854-021-06254-1

2. Bezzon 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/10.1155/2019/4293073

3. Дроздов 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.2020.06.49164.18151

4. Mbayachi 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.2021.100163

5. Luong 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/s41586-020-1938-0

6. Wang 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-X

7. De 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.2020.05.015

8. Chamoli 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_5

9. Иванов-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.

10. 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/10.1063/1.370531

11. Ferrari 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.61.14095

12. Рустамова Е.Г., Губин С.П. Композиты графен–полиэтилен высокого давления и их свойства. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2021;13(3):369–376.

13. Chen 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.2014.01.001

14. Liu 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.2019.04.037

15. Feng 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.2019.02.008

16. Pham 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/10.1149/2.0891603jes

17. Dilfi 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/10.1080/15440478.2017.1423259

18. Wang 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-y

19. Столяренко 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/10.46573/2658-7459-2022-2-74-85

20. 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.

21. 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.

22. 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.1156965

23. Ferrari 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.2004.1452

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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/jp2052618