用 3D 打印將塑料轉(zhuǎn)為碳材料，為碳材料量產(chǎn)化帶來新工藝，助力解決塑料回收難題

來源：DeepTech深科技

碳材料在儲(chǔ)能、熱管理、電子設(shè)備、生物工程、高性能復(fù)合材料等眾多領(lǐng)域扮演著重要的 " 角色 "。但實(shí)際上長期以來，碳材料的加工之路卻因其熔點(diǎn)過高等原因一直 " 困難重重 "。

雖然碳纖維、石墨烯、碳納米管等高性能的碳材料功能性強(qiáng)，但它們?nèi)圆荒茏鳛椴牧现黧w被應(yīng)用。在大多數(shù)時(shí)，只能作為添加劑或增強(qiáng)性材料被共混在高分子中進(jìn)行加工。這會(huì)導(dǎo)致碳材料的優(yōu)秀的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能被 " 浪費(fèi) "。

科學(xué)家們?cè)鴩L試各種辦法嘗試解決碳材料制備的難題，例如通過聚丙烯腈或其他高分子材料制備碳纖維。但是，碳材料制造以及高分子的前驅(qū)體的選擇仍然非常受限。

圖丨強(qiáng)哲（來源：強(qiáng)哲）

最近，美國南密西西比大學(xué)助理教授強(qiáng)哲課題組開發(fā)了一種簡單、可擴(kuò)展的方法，首次實(shí)現(xiàn)可量產(chǎn)化制備 3D 宏觀結(jié)構(gòu)碳材料。他們從高分子的制備角度出發(fā)，通過 3D 打印一種常見的高分子聚丙烯（polypropylene ，PP），然后把它進(jìn)行特殊的交聯(lián)，成功地將 PP 轉(zhuǎn)變成構(gòu)型和機(jī)械性能良好的碳材料。

值得關(guān)注的是，由于碳材料具備良好的電熱性能和力學(xué)性能，通過 3D 打印將塑料變成碳的工藝，可實(shí)現(xiàn)高效的電熱轉(zhuǎn)換，有望解決傳統(tǒng)工業(yè)中高能耗的問題，甚至解決塑料垃圾可回收的問題。

審稿人指出，該研究極具創(chuàng)造力，其中的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至有些不可思議。用簡單的方法和最普及的塑料實(shí)現(xiàn)對(duì)碳材料的三維結(jié)構(gòu)控制，該技術(shù)會(huì)對(duì)多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域起到深遠(yuǎn)的影響。

圖丨相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）

近日，相關(guān)論文以《商品聚丙烯用于 3D 打印碳增材制造》（Additive Manufacturing of Carbon using Commodity Polypropylene）為題發(fā)表在 Advanced Materials 上 [ 1 ] 。

南密西西比大學(xué)博士研究生保羅 · 史密斯（Paul Smith）為該論文的第一作者，助理教授強(qiáng)哲為論文通訊作者。

實(shí)現(xiàn) 3D 宏觀結(jié)構(gòu)的按需碳制造
長期以來，塑料成為白色污染的源頭，并以微塑料等方式入侵到海洋、生態(tài)系統(tǒng)等。因此很多時(shí)候，塑料不得不和 " 垃圾 " 聯(lián)系在一起。

強(qiáng)哲課題組自成立以來，就以做可持續(xù)性的塑料閉環(huán)研究為主旨，他們希望通過技術(shù)賦能，使塑料垃圾 " 變廢為寶 "，將最便宜、最基礎(chǔ)的塑料 " 升值 " 成為復(fù)雜的高性能材料，來解決環(huán)境的棘手問題。

此前，該團(tuán)隊(duì)在將塑料轉(zhuǎn)化成碳材料方面進(jìn)行過相關(guān)探索。在與新冠疫情相關(guān)的一項(xiàng)研究中，他們?cè)�探索過將高分子纖維材料變成碳纖維的方法。研究人員發(fā)現(xiàn)，在將口罩變成碳纖維后，因?yàn)檎T導(dǎo)反應(yīng)，在經(jīng)過 1000 攝氏度的高溫后，高分子的宏觀結(jié)構(gòu)仍可被保留，其大致外形未并發(fā)生明顯的變化。

圖丨（a）每個(gè)加工步驟（包括交聯(lián)和碳化）后印刷零件的加工方案和相關(guān)的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。（b）與未處理的打印 PP 部件相比，在不同溫度下磺化 2 小時(shí)的樣品的幾何形狀，包含單位尺寸為 1.65 厘米的陀螺形狀。（c）交聯(lián) PP 樣品的質(zhì)量攝取和（d）結(jié)晶度隨磺化時(shí)間和溫度的變化（來源：Advanced Materials）

受此啟發(fā)強(qiáng)哲聯(lián)想到，如果不局限于口罩，而是在三維宏觀構(gòu)型的碳材料上進(jìn)行嘗試，是不是也可以將整體形狀保留？

但是，如何制備三維宏觀構(gòu)型的碳材料成為關(guān)鍵性難題，此前并沒有相關(guān)文獻(xiàn)作為參照。近年來隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，通過 3D 打印可實(shí)現(xiàn)金屬材料的打印。強(qiáng)哲繼續(xù)提出，何不嘗試通過 3D 打印塑料，然后再將塑料變成碳材料呢？

圖丨（a）復(fù)雜碳結(jié)構(gòu) : 六角線、鷹翼、金字塔、思想家。（b）PP 衍生碳沿印刷（或 Z）方向的機(jī)械性能。（c）PP 衍生碳陀螺（1.5g）的照片至少可以容納 8 公斤的總質(zhì)量（來源：Advanced Materials）

這是一種大膽的創(chuàng)新，這個(gè)思路在最初提出時(shí)，課題組成員都認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)行業(yè)里，磺化交聯(lián)聚烯烴手段不能用于大規(guī)模大尺度的高分子產(chǎn)品。強(qiáng)哲表示：" 讓我印象深刻的是，我們居然在第一次嘗試時(shí)就成功了，而該結(jié)果和以往文獻(xiàn)呈現(xiàn)的結(jié)果截然相反。最重要的是，材料的各方面功能性很強(qiáng)，這讓我們非常激動(dòng)。"

顯然，這種現(xiàn)象并不尋常，因此該團(tuán)隊(duì)又花了很長時(shí)間探索相關(guān)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)這種 " 反常 " 現(xiàn)象的背后有很深的學(xué)問。在研究機(jī)理的過程中，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一些比較有意思的誘導(dǎo)反應(yīng)，正是這些誘導(dǎo)反應(yīng)讓高分子產(chǎn)生了裂縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。

" 我們的這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高重復(fù)性的原因在于，我們不僅做成了這種材料，并且更重要是知道它為何會(huì)實(shí)現(xiàn)。"強(qiáng)哲說。

為塑料賦能，有望在 1-3 年落地應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)通過為塑料賦能，希望解決塑料垃圾污染、環(huán)境污染等多領(lǐng)域的可持續(xù)性問題。他們從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，盡量選擇比較低耗的材料和比較簡單的方法，希望該技術(shù)未來被學(xué)術(shù)界及工業(yè)界廣泛地應(yīng)用。

并且，聚丙烯前驅(qū)體價(jià)格低、易獲得。特別是低成本，是該技術(shù)未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必備條件。據(jù)團(tuán)隊(duì)預(yù)估，3D 打印的塑料的價(jià)格大概在十幾元每噸，市場上的 3D 打印機(jī)約一兩千元。

強(qiáng)哲表示："我們的碳化工藝可與傳統(tǒng)的碳材料制造‘無縫銜接’，因此不需要建設(shè)新的產(chǎn)業(yè)鏈來適應(yīng)該工藝。用一種低成本、精致的材料制備方法做別人從來沒有做過甚至沒有想過的技術(shù)，讓我們團(tuán)隊(duì)感到非常興奮和自豪。"

圖丨（a）PP 衍生碳的焦耳加熱性能，顯示在 10 和 20w 時(shí)加熱和冷卻的時(shí)間。（b）這些碳材料的焦耳加熱溫度是供電功率的函數(shù)。（c）為焦耳加熱過程中一個(gè)模型加熱元件的圖片，顯示顏色在 30w 時(shí)隨時(shí)間的變化。（d）鋁鍋可以使用 35w 的電源，在焦耳加熱的 PP 衍生碳上 15 秒內(nèi)迅速融化。（e）同樣，PP 衍生碳可以用作 8w 沸水的加熱元件（來源：Advanced Materials）

那么，這種現(xiàn)量產(chǎn)化制備 3D 結(jié)構(gòu)碳材料的工藝可能應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？強(qiáng)哲認(rèn)為，該技術(shù)最有可能應(yīng)用在解決芯片領(lǐng)域的散熱問題。

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的 " 火熱 "，其大量的耗能、耗熱等問題也接踵而來。傳統(tǒng)的散熱芯片較重、散熱效率較低。與之對(duì)比的是，碳材料的散熱效率高，并且通過三維結(jié)構(gòu)的設(shè)置可以讓散熱達(dá)到最高的效率。

另一方面，全球大部分國家紛紛制定戰(zhàn)略，將在 2050 年達(dá)到碳中和、碳達(dá)峰。強(qiáng)哲表示，如果通過低能耗的工業(yè)生產(chǎn)，將更有利于幫助世界各國、各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)技術(shù)達(dá)到更好的碳中和效果。

因此，該技術(shù)的另一個(gè)可能的應(yīng)用場景是，將工業(yè)化程序從普通加熱變成電加熱，以大量地減少能耗，符合 " 碳中和 " 規(guī)劃和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

" 此外，該技術(shù)在生物醫(yī)用、水處理等領(lǐng)域也具有應(yīng)用潛力。"強(qiáng)哲補(bǔ)充說道。

據(jù)了解，目前該團(tuán)隊(duì)已與相關(guān)公司合作進(jìn)行應(yīng)用轉(zhuǎn)化以及商業(yè)化，并有望在 1 至 3 年內(nèi)落地應(yīng)用。" 用科學(xué)技術(shù)去解決社會(huì)的實(shí)際難題非常有意義，也給了我們很大動(dòng)力。我們正在推進(jìn)通過碳材料進(jìn)行碳捕捉、碳轉(zhuǎn)化的相關(guān)進(jìn)程，致力于把二氧化碳轉(zhuǎn)為有用的能源。" 他說。

計(jì)劃將工藝做得更加精細(xì)化

強(qiáng)哲從東華大學(xué)材料科學(xué)與工程系本科畢業(yè)后，來到美國阿克倫大學(xué)的高分子工程系完成了碩士和博士階段的學(xué)習(xí)。隨著對(duì)科研的深入接觸，他逐漸找到了解決科研問題的樂趣。

之后，他在美國西北大學(xué)化學(xué)與生物工程系進(jìn)行了為期三年的博后研究。2019 年，他加入南密西西比大學(xué)高分子科學(xué)與工程系擔(dān)任助理教授。

圖丨強(qiáng)哲課題組（來源：強(qiáng)哲）

強(qiáng)哲回憶道：" 在人生的每個(gè)階段，我都有幸遇見優(yōu)秀的導(dǎo)師。他們的言傳身教讓我深有啟發(fā)并受益匪淺，也成為了我學(xué)習(xí)和進(jìn)步的榜樣。比如我的博導(dǎo)曾和我說過，‘當(dāng)你學(xué)會(huì)了如何鉆研一個(gè)我還并不了解的領(lǐng)域時(shí)，你就可以畢業(yè)了’。" 他認(rèn)為，讀博不僅僅是要去解決某些課題，更重要去探索自己的潛能和天賦。因此，他經(jīng)常鼓勵(lì)他的學(xué)生們要敢想、敢做、勇于創(chuàng)新。

身份的變化也帶來了 " 使命 " 的轉(zhuǎn)變，" 我發(fā)現(xiàn)在成為博士生導(dǎo)師后，我有了一個(gè)更好的科研和教育平臺(tái)，也更需要去發(fā)現(xiàn)問題以及判斷技術(shù)的未來發(fā)展。"強(qiáng)哲說。

該課題組通過科學(xué)的方法為垃圾塑料 " 賦能 " 開展了系列研究，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘疾蹲�、水處理以及電熱的碳材料�?br />
課題組發(fā)明的科技有著重要商業(yè)價(jià)值以及可能創(chuàng)造深遠(yuǎn)影響。他表示，除了自己的成就，當(dāng)看到學(xué)生們通過努力得到美國能源部、美國科學(xué)協(xié)會(huì)等榮譽(yù)和獎(jiǎng)項(xiàng)，也是課題組的另一個(gè) " 榮耀時(shí)刻 "。

對(duì)強(qiáng)哲來說，未來最想攻克的科學(xué)難題是，在傳統(tǒng)工藝改進(jìn)條件下，通過材料性能的突破加速塑料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和發(fā)展。但他同時(shí)也指出，企業(yè)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，不能忽視的另一個(gè)重要的問題是經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

因此，該課題組研究的方向是用最少的成本，去做最好的碳捕捉優(yōu)化。" 我們不能只談環(huán)境不談經(jīng)濟(jì)和利潤。對(duì)于企業(yè)來說，需要達(dá)到一個(gè)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)，這也是我們課題組現(xiàn)在主要關(guān)注的研究方向和目標(biāo)。" 他說。

對(duì)于該研究的后續(xù)計(jì)劃，強(qiáng)哲希望不局限于制備碳材料，也可以運(yùn)用塑料的概念做任何的物質(zhì)材料制備。因此，下一步他們計(jì)劃將該工藝做得更加精細(xì)化。

參考資料：

1.Paul Smith et al. Advanced Materials ( 2023 ) . https://doi.org/10.1002/adma.202208029