美國萊斯大學(Rice University)圖爾研究團隊目前已經可以實現將橡膠輪胎廢料轉化為石墨烯,應用于混凝土增強。2020年8月,該團隊推出“閃蒸”石墨烯工藝,通過技術的不斷改進,目前已經可以將炭黑或碎橡膠輪胎與商用炭黑材料的混合物通過“閃蒸”工藝制造石墨烯,提升碳殘留物的價值。
由于用這種方式獲得的渦輪式亂層石墨烯是可溶的,因此可以將其輕松的與水泥混合制成更環保混凝土材料。
在橡膠輪胎或橡膠管中,原子一般以有價值的渦輪式亂層石墨烯形式排列,層間存在錯位。這種結構比從傳統的石墨中剝離產生的石墨烯更易溶,更易在復合材料中應用。事實證明,與食品廢料或塑料相比,想要將橡膠轉化為石墨烯更具挑戰性,但實驗室通過使用輪胎中的商用熱解廢橡膠優化了工藝。
研究人員表示,從廢舊輪胎中提取有用油脂后,其他碳殘留物的價值截至目前幾乎為零。
閃蒸過程中的電脈沖持續300毫秒至1秒不等。經過實驗室的測算,轉換過程中處理1噸原料碳將花費約100美元的電力。萊斯大學實驗室通過“閃蒸”廢舊輪胎碳殘留物炭黑,發現大約70%的廢料轉化為石墨烯。當將切碎的橡膠輪胎與普通炭黑混合使用以增加導電性時,約47%的物質轉化為石墨烯。除了碳以外,其他元素也通過這種方式回收滿足其他領域的應用。
研究人員將微量的輪胎衍生石墨烯與硅酸鹽水泥混合在一起(使用輪胎炭黑質量分數為0.1%,使用輪胎炭黑和切碎輪胎膠粒的質量分數為0.05%),并將其用于生產成混凝土圓柱體。在固化7天后進行測試,圓柱體的抗壓強度提高了30%以上。28天后,使用0.1%質量分數的石墨烯,已經足以使得產品強度至少增加30%。
研究人員表示,這種強度的提高部分歸結于二維材料石墨烯的催化效應,促進水泥水合物產品更緊實,另一部分歸因于則歸因于后期的材料固有的增強作用。
2020年初,美國萊斯大學研究人員在《自然》上報道,他們通過將垃圾的碳基材料轉化為石墨烯的工藝,找到了在不到一秒鐘的時間里就可以將此“變廢為寶”的方法。這得益于一種將碳基材料轉化為石墨烯的閃蒸加熱工藝方法。
碳基材料,指任何具有碳含量的材料,比如食物垃圾、塑料垃圾、石油焦炭、煤炭、木材屑、廢橡膠輪胎和生物炭等等。在這項研究中,科學家通過將碳基材料加熱到3000K開氏溫度(約為2726攝氏度),在短短10毫秒內的閃蒸過程里就可以生成石墨烯薄片,所以科學家們稱之為“閃速石墨烯”(flashgraphene)。