[發(fā)明專利]一種從炭中提取納米碳多形晶混合物的綠色方法

有效

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• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109553086B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設計）人: 劉煥明;單艾嫻;陳鴻明;許谷
• 申請（專利權）人: 巧鸞科技有限公司
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;C01B32/16;C01B32/18;C01B32/205;B82Y40/00;C04B14/02;C04B14/38;C08K3/04;C09D11/324;C09D7/61
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 劉磊

本發(fā)明涉及一種從炭中提取納米碳多形晶混合物的綠色制造方法和應用。該方法選用碳化度合適的炭并棄用化學腐蝕而采用物理磨碎的方法提取炭中的碳納米纖維、碳納米管、碳納米洋蔥、納米石墨等納米碳多形晶，勾調來源不同、成分相異但特性互補的納米碳多形晶，舍棄高成本和高環(huán)境負荷的分離提純再復合的傳統(tǒng)途徑,制成低成本優(yōu)質納米碳多形晶混合物配方產品，開發(fā)這種配方在下游產業(yè)的應用,特別是作為復合物生產中復合添加劑的應用,包括水泥基、聚合物基和金屬基復合材料的生產。

技術領域

本發(fā)明涉及一種從炭中提取納米碳多形晶混合物的綠色制造方法和應用。該方法選取碳化度合適的炭后采用物理磨碎和棄用化學腐蝕提取炭中的碳納米纖維、碳納米管、碳納米洋蔥、納米石墨等納米碳多形晶，采用勾調來源不同、成分相異但特性互補的納米碳多形晶的方法,舍棄高成本和高環(huán)境負荷的分離提純再復合的傳統(tǒng)方法，制成低成本優(yōu)質納米碳多形晶混合物配方產品，開發(fā)這種配方在下游產業(yè)的應用,特別是作為復合物生產中復合添加劑的應用,包括水泥基、聚合物基和金屬基復合材料的生產。

背景技術

碳是地殼中最豐富的化學元素之一。在地球上，大多數碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，這些分子存在于大氣中或溶解在各種水體中。一些二氧化碳分子被許多藻類和植物還原和改造成具有碳-碳、碳-氫和碳-氧鍵的分子，形成它們有機體的主要組成部分。在漫長的地球歷史中，一些有機體被埋在地下，由于溫度和壓力的自然變化導致有機體碳化，包括氧和氫等的釋出，慢慢地轉化為非晶形碳質固體，通常被稱為煤。然而，非晶形碳在固體碳的同素異形體中并不是最穩(wěn)定的。在高溫厭氧條件下，非晶形碳可以重組其結構，轉化為結晶石墨。在極高的壓力和溫度下，非晶形碳和石墨也能轉化為金剛石晶體。金剛石、石墨和煤的密度分別為3.5、2.2和1.0-1.6 g/cm³。在這些自然生產過程中，相對的自然生產困難程度和自然稀有度影響了它們的價格，高清晰度珠寶級的鉆石價格約為每克10萬元，高質石墨約為每公斤20元，而煤約為每噸400元。

除煤外，市場上的主要固體碳源是炭。炭是煤、木材和其他生物質等在缺氧下加溫引導的人工碳化的產物。例如焦煤在900-1050^oC碳化成普通焦炭，主要用作于煉鋼的還原劑和摻雜劑；木材在較低溫度碳化成普通木炭，主要用于燃料；生物質如椰殼碳化成多孔活性炭，用于吸污；煤炭行業(yè)中也有將無煙煤在1500-2000^oC碳化成炭，用于煉鋁的電極與還原劑。炭的微結構成分基本上是非晶碳與微納石墨的多孔混合體。炭的市價約每公斤2-3元。

此外，含碳的氣體/液體/固體也可以在人工碳化的材料制備條件的高溫下，或在放電的材料制備條件下形成碳纖維和碳黑。碳纖維和碳黑的微結構成分基本上也是微納石墨和非晶碳的混合體。這些產品亦已經在業(yè)界廣泛使用了幾十年，主要用于復合物產業(yè)的復合添加劑。例如碳黑是橡膠的復合添加劑和填充劑，全球年產超過千萬噸，市價約每公斤7元。雖然人工碳化制造如炭與碳黑等微納石墨和非晶碳的混合體提高了碳原材料的市場價值，但現有的人工碳化技術大都采用加溫的方式釋出含碳原材料中的揮發(fā)性成分，釋出物質的提取與排放又往往沒有完善的管理,違反現代綠色化學與工程學守則[1]，破壞環(huán)境和生態(tài)，亟待改善。

近年來，科學家又發(fā)明了幾種新型納米碳多形晶的制備方法，這些納米材料具有不同尋常的優(yōu)異功能特性、新的應用前景和高利潤市場前景。這些新興的碳納米晶體(如圖1所示)包括碳納米洋蔥[2-3]、富勒烯[4]、碳納米管[5-6]、碳納米纖維[7-8]、石墨烯[9]、納米金剛石[10]；由于它們都具有衍射特征，均可歸類為納米晶體。將諾貝爾獎授予富勒烯和石墨烯的發(fā)明者，也很好地說明了這些新興納米材料的重要性。此外，碳納米管材料和石墨烯材料都已大規(guī)模生產，并不斷涌現出其優(yōu)異性能轉化為下游應用的實例。它們目前的市場價格因品種和純度而異，每公斤價格在2千元至7萬元之間。因此，它們目前的價格遠遠高于煤炭[11]、石墨、普通金屬（如每公斤15元的鋁）、普通聚合物（如每公斤15元的橡膠與每公斤9元的聚乙烯）以及工業(yè)中許多其他工程材料的價格。這種高價格意味著高盈利能力，但也嚴重阻礙了這些納米碳多形晶作為添加劑和原材料的實際市場滲透。