无烟煤的微波辐照–固相力化学石墨烯化及与天然橡胶的纳米复合

作     者：黄吉 董婉秋 陈创前 牛红梅 康洁 李侃社 

作者机构：西安科技大学化学与化工学院 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年第49卷第S1期

页      面：382-393页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：陕西省重点研发计划资助项目(2018ZDXM–GY–155) 

主　　题：太西无烟煤 微波辐照 固相力化学 煤基石墨烯 天然橡胶 纳米复合材料 

摘      要：将无烟煤与路易斯酸催化剂CuCl2混合均匀后置于微波场–固相剪切力场交替作用下进行固相反应，微波场使煤分子内温度达到煤基石墨烯化的反应温度，路易斯酸催化剂在高温环境下使煤分子进行烷基脱除反应，固相力化学反应器提供强大的剪切力场重复粉碎剥离，实现了太西无烟煤的直接石墨烯化，进而在固相剪切碾磨中实现了煤基石墨烯与天然橡胶（NR）的纳米级复合，成功制备出抗静电煤基石墨烯/天然橡胶纳米复合材料。通过工业分析、元素分析、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和原子力显微镜等手段分阶段表征了所制备纳米复合材料的结构与性能。结果表明，在氯化铜催化–固相剪切碾磨–微波辐照的共同作用下，可以实现太西无烟煤的粉碎、剥离、脱氧、脱烃、脱氢、芳香稠环，进而向石墨烯化方向发展，最终得到了3.5 nm厚度2D形貌的“煤基石墨烯（CB–GE）;CB–GE可以实现对天然橡胶的增强和导静电功能化，当CB–GE质量分数为20%时，CB–GE/NR纳米复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和电导率分别达到22.36 MPa、278.8%和9.8×10-4S/cm，与天然橡胶材料相比分别提高314.1%、40.52%和9个数量级，当CB–GE质量分数为4%时即可达到抗静电的要求。这表明所制备的CB–GE可以实现对天然橡胶的增强和导静电功能化。氯化铜催化–固相剪切力场–微波场综合作用技术进行无烟煤的石墨烯化过程几乎无“三废产生，可提升制备煤基石墨烯复合材料的经济性。同时固相力化学复合技术可实现纳米级石墨烯化无烟煤在不同聚合物基体材料中的纳米分散和直接复合，可以得到定向煤基石墨烯/聚合物纳米复合材料。