Исследовательские группы, которыми руководят профессора Фэй Вэйдун и Ван Лидун из Института материаловедения и инженерии, а также коллектив под руководством доцента Шэн Цзе из Научно-исследовательского института космической среды и материаловедения Харбинского политехнического университета достигли значительного прогресса в разработке инновационного метода переработки отходов углеродного волокна. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications в статье под названием «Утилизация отходов углеродного волокна в твёрдом пламени» .
В ответ на актуальную научно-техническую задачу обеспечения эффективной и высокоценной переработки отходов углеродного волокна авторы предложили инновационный подход, основанный на использовании порошка магния и карбоната кальция в качестве реагентов. На основе технологии самовоспламеняющегося высокотемпературного синтеза был успешно осуществлён быстрый процесс переработки отходов углеродного волокна в условиях твёрдого пламени. Исследования показали, что эта технология позволяет эффективно перерабатывать различные типы отходов – обрезки углеродного волокна, препреги и композитные материалы – в углеродное волокно с привитым графеном и графеновый порошок. Полученные продукты демонстрируют большие возможности для применения в таких областях, как армирование углеродных материалов и экранирование от электромагнитных помех.
Анализ микроструктурных механизмов показал, что на границе графена и углеродного волокна образуются ковалентные связи C-C, что обеспечивает высокопрочное межфазное сцепление. Благодаря этому графен-привитое углеродное волокно превосходит по своим характеристикам исходное углеродное волокно. Механистическое исследование выявило ключевую роль магния в процессе реакции в твёрдом пламени: за счет эффекта переноса электронов магний существенно снижает энергию арил-кислородной связи в промежуточных продуктах разложения эпоксидной смолы, что способствует разрыву связей C-O и образованию связей C-C. Это стимулирует трансформацию эпоксидной смолы в графен и его прививка на дефектных участках углеродного волокна. При этом технология переработки с использованием твёрдого пламени имеет преимущества перед традиционными методами термической переработки и сжигания, поскольку характеризуется более низкими значениями потенциала глобального потепления и требует меньше энергии.
Схематическое изображение процесса переработки отходов углеродного волокна с использованием твёрдого пламени и характеристика полученных продуктов
Харбинский политехнический университет указан в качестве единственного учреждения, ответственного за переписку по данной публикации. Докторант Института материаловедения и инженерии ХПУ Жэнь Цинтань выступил первым автором статьи. Профессор Ван Лидун из Института материаловедения и инженерии ХПУ и доцент Шэн Цзе из Научно-исследовательского института космической среды и материаловедения являются авторами-корреспондентами статьи.