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ICM论文 | 怀俄明大学Maohong Fan教授等：煤与废塑料变身高性能碳纤维，实现资源再利用

已有 344 次阅读 2025-12-24 10:08 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

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文章导读

碳纤维在飞机制造、风力发电等领域具有广泛应用。聚丙烯腈是碳纤维最主要的原料，但它价格昂贵，且热处理后产率偏低。沥青含碳量高，且富含多环芳烃结构，是一种颇具竞争力的廉价原料。沥青可由煤液化而来，而高产率的液化需要溶剂，工业溶剂多采用加氢液化的煤或炼化的油。为保证煤泥浆的流动性，煤-溶剂的质量比为1:1至1:3，溶剂需要回收并循环，这使得超过一半的液化产物无法进入下一环节。另一方面，废塑料的大量产生引发了环境问题，主流的废塑料回收方法是填埋和焚烧，它们不仅无法回收物料，还易造成温室效应和污染。废塑料以氢含量高、量大便宜的特性，具备被制成煤液化溶剂的潜力。也因废塑料的这两个特性，溶剂无需循环，可作为下一产品的原料，或有附加值的最终产品。

近日，怀俄明大学Maohong Fan教授和犹他大学Eric Eddings教授团队合作，以高密度聚乙烯（HDPE）为前体，氢解制成溶剂。使用溶剂分解液化技术（氢气压力6 MPa，温度450 ℃，溶剂-煤质量比1:1），将产自犹他州Sufco矿的煤液化。液化后经过热缩聚增加中间相成分，得到碳纤维的原料，再经熔融纺丝和热处理后制成碳纤维。经过1500 ℃碳化的碳纤维直径11.7 μm，杨氏模量238 GPa，强度1.15 GPa，达到通用碳纤维标准。经过2800 ℃石墨化的碳纤维直径8.2 μm，杨氏模量759 GPa，强度4.03 GPa，达到高性能碳纤维标准。其力学性能已接近或超过商用沥青基碳纤维，如K1392U，K13916，YS-80A，XN-80-60S，以及 M60J。

图文摘要：将废塑料和煤制成碳纤维

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：High-performance carbon fibers fabricated from coal and waste plastics。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00110B

本文亮点

★ 用塑料制成了可以在较温和的条件下（氢气压力6 MPa，温度400 ℃，恒温1小时）液化煤的溶剂；

★ 液化后的煤被制成了通用和高性能碳纤维，后者的力学性能接近或超过商用沥青基碳纤维；

★ 证明了用废塑料和煤生产碳纤维的可行性，有益于环境和经济的可持续性发展。

图文解读

1. 碳纤维形貌

煤经过液化和三种条件的热缩聚，共制成三种原料。

表1. 热缩聚条件和原料性质

表1.png

三种前体被纺成三种生丝，纺丝条件为在连续出丝时，生丝直径最小化。三种生丝在各自原料软化点预氧化一小时，并在1500 ℃下碳化10分钟，分别命名为CF1-238-1500，CF2-289-1500，以及CF3-302-1500。其电子显微镜照片由图1所示。碳纤维侧面（图1a, c, e）显示出轴向线条，垂直剖面（图1b, d, f）显示出曲线线条，这些线条是碳的片状结构的边缘。三种碳纤维直径分别为45.8, 10.8及28.7 μm（若不加说明，直径和力学数据均为平均数）。CF2-289-1500（图2c和d）直径最小，最接近商业沥青基碳纤维，且杨氏模量和强度最高（194和0.85 GPa），其余两个碳纤维杨氏模量低于140 GPa，强度低于0.7 GPa。因此CF2-289-1500对应的生丝被选为下一步的研究对象，以制作高性能碳纤维。

图1.png

图1. 碳纤维SEM图。（a, b）CF1-238-1500； (c, d) CF2-289-1500； (e, f) CF3-302-1500。左侧为侧面，右侧为垂直剖面

2. 高性能碳纤维

通过将预氧化温度调整为312度，以及增长碳化时间至2小时，将CF2-289-1500对应的生丝制成了通用碳纤维CF2-312-1500-2h，其直径为11.7 μm，杨氏模量238 GPa，强度1.15 GPa，符合通用碳纤维标准。另外，将生丝用同样方法预氧化，又在2800 ℃下石墨化两小时，制成CF2-312-2800-2h，其直径为8.2 μm，杨氏模量759 GPa，强度4.03 GPa，符合高性能碳纤维标准。以上两种碳纤维的电子显微镜照片见图2，力学数据如图3a和b所示。

图2.png

图2. 碳纤维SEM图。（a，b）CF2-312-1500-2h ；（c，d）CF2-312-1500-2h

碳纤维的晶体数据可由X射线衍射图谱和拉曼光谱得出，如图3所示。由X射线衍射图谱得出，CF2-289-1500的碳片状结构晶面间距（d₀₀₂）为0.3462 nm，晶面层数（N）为12.93（图3c）；由拉曼光谱得出D带-G带比值（I_D/I_G）为0.78，微晶尺寸（L_a）为5.68 nm（图3d）。调整热处理条件后，CF2-312-1500-2h的晶面间距下降为0.3383 nm，晶面层数增长为20.04，D带-G带比值略微下降到0.70，微晶尺寸为6.31 nm。石墨化后，CF2-312-2800-2h的晶面间距缩短为0.3356 nm，晶面层数骤增为101.60；D带-G带比值缩小为0.05，微晶尺寸骤增到83.44 nm。单调增大的晶面层数以及微晶尺寸说明晶体结构趋向规整，缺陷逐步减少。这与图3a的杨氏模量和强度结果趋势一致。

图3.png

图3.（a）碳纤维力学性质；（b）碳纤维直径；（c）由X射线衍射图谱所得的晶体数据，其中d₀₀₂：晶面间距，N：晶面层数；（d）由拉曼光谱所得的晶体数据，其中I_D/I_G：D带-G带比值；L_a：微晶尺寸

总结与展望

本研究展示了一种利用废弃高密度聚乙烯（HDPE）与煤炭制备先进碳纤维的集成工艺，为传统生产方法提供了可持续替代方案。研究攻克了包括温和溶剂化液化反应器设计、熔融纺丝参数优化及热处理条件调控等难题，验证了实验室规模的可行性。PDL和MCPL分别被证实可替代传统昂贵溶剂及聚丙烯腈原料。该工艺实现了废弃塑料与煤炭的资源化利用，在降低环境影响的同时创造经济价值。下一步工作将使用实际废塑料，探索更加低温低压的液化条件，增加原料均质性以及研究更快速的碳纤维热处理方法。同时，将聚焦工业级工厂设计、技术经济评估与全生命周期分析，量化其经济效益与环境可持续性。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

Z. Chen, W. Wang, T. Wang, S. Tang, S. Gautam, N. Saha, P. Samarawickrama, S. T. Tjeng, E. G. Eddings and M. Fan, High-performance carbon fibers fabricated from coal and waste plastics, Ind. Chem. Mater., 2025, DOI: 10.1039/D5IM00110B.

作者简介

Maohong Fan.png

通讯作者

Maohong Fan，怀俄明大学工程学院和能源学院教授。加拿大工程院院士、美国国家发明家科学院院士。研究方向为催化，能源生产，材料合成和分离，资源高效利用，环境保护。在Nature communications等期刊发表论文600余篇，H指数为92。担任Industrial Chemistry & Materials期刊副主编，及多本能源、化学领域期刊的副主编、顾问和编委。

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通讯作者

Eric Eddings，犹他大学化学工程系教授、主任。研究方向：新能源技术，煤制碳纤维及其他附加值材料，二氧化碳捕集和利用，可再生生物质与煤共燃。

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第一作者

谌哲，怀俄明大学博士在读研究生。研究方向：高附加值碳材料、绿色能源。

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