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 "。但實際上長期以來,，碳材料的加工之路卻因其熔點過高等原因一直 " 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,，但它們?nèi)圆荒茏鳛椴牧现黧w被應(yīng)用。在大多數(shù)時，只能作為添加劑或增強性材料被共混在高分子中進行加工,。這會導(dǎo)致碳材料的優(yōu)秀的導(dǎo)熱,、導(dǎo)電性能被 " 浪費 "。

科學(xué)家們曾嘗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,。

圖丨強哲（來源：強哲）

最近,，美國南密西西比大學(xué)助理教授強哲課題組開發(fā)了一種簡單、可擴展的方法,，首次實現(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）,，然后把它進行特殊的交聯(lián)，成功地將 PP 轉(zhuǎn)變成構(gòu)型和機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,，其中的部分實驗結(jié)果甚至有些不可思議,。用簡單的方法和最普及的塑料實現(xiàn)對碳材料的三維結(jié)構(gòu)控制，該技術(shù)會對多個應(yīng)用領(lǐng)域起到深遠的影響,。

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,，助理教授強哲為論文通訊作者,。

實現(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。因此很多時候,，塑料不得不和 " 垃圾 " 聯(lián)系在一起,。

強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，該團隊在將塑料轉(zhuǎn)化成碳材料方面進行過相關(guān)探索,。在與新冠疫情相關(guān)的一項研究中,，他們曾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,，因為誘導(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)晶度隨磺化時間和溫度的變化（來源：Advanced Materials）

受此啟發(fā)強哲聯(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 打印可實現(xiàn)金屬材料的打印,。強哲繼續(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,，這個思路在最初提出時,，課題組成員都認為難以實現(xiàn),。因為在傳統(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,。強哲表示：" 讓我印象深刻的是,，我們居然在第一次嘗試時就成功了，而該結(jié)果和以往文獻呈現(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，這讓我們非常激動,。"

顯然,，這種現(xiàn)象并不尋常，因此該團隊又花了很長時間探索相關(guān)機理,，發(fā)現(xiàn)這種 " 反常 " 現(xiàn)象的背后有很深的學(xué)問,。在研究機理的過程中，該團隊還發(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,，進而實現(xiàn)交聯(lián)。

" 我們的這些實驗結(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實現(xiàn)。"強哲說,。

為塑料賦能,，有望在 1-3 年落地應(yīng)用

該團隊通過為塑料賦能，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)團隊預(yù)估，3D 打印的塑料的價格大概在十幾元每噸,，市場上的 3D 打印機約一兩千元,。

強哲表示："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),，讓我們團隊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 時加熱和冷卻的時間,。（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模型加熱元件的圖片,，顯示顏色在 30w 時隨時間的變化,。（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,？強哲認為,，該技術(shù)最有可能應(yīng)用在解決芯片領(lǐng)域的散熱問題。

隨著超級計算機的 " 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 年達到碳中和,、碳達峰。強哲表示,，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、各個領(lǐng)域的工業(yè)技術(shù)達到更好的碳中和效果,。

因此,，該技術(shù)的另一個可能的應(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。"強哲補充說道,。

據(jù)了解,，目前該團隊已與相關(guān)公司合作進行應(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)去解決社會的實際難題非常有意義,，也給了我們很大動力,。我們正在推進通過碳材料進行碳捕捉、碳轉(zhuǎn)化的相關(guān)進程,，致力于把二氧化碳轉(zhuǎn)為有用的能源,。" 他說。

計劃將工藝做得更加精細化

強哲從東華大學(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,。隨著對科研的深入接觸，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)與工程系擔任助理教授,。

圖丨強哲課題組（來源：強哲）

強哲回憶道：" 在人生的每個階段，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)習和進步的榜樣。比如我的博導(dǎo)曾和我說過,，‘當你學(xué)會了如何鉆研一個我還并不了解的領(lǐng)域時,，你就可以畢業(yè)了’。" 他認為,，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,，我有了一個更好的科研和教育平臺,，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)樘疾蹲健⑺�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)價值以及可能創(chuàng)造深遠影響,。他表示,，除了自己的成就,，當看到學(xué)生們通過努力得到美國能源部、美國科學(xué)協(xié)會等榮譽和獎項,，也是課題組的另一個 " 榮耀時刻 ",。

對強哲來說，未來最想攻克的科學(xué)難題是,，在傳統(tǒng)工藝改進條件下,，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。但他同時也指出,，企業(yè)實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的同時,，不能忽視的另一個重要的問題是經(jīng)濟的可持續(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)濟和利潤,。對于企業(yè)來說,，需要達到一個環(huán)境和經(jīng)濟的平衡點，這也是我們課題組現(xiàn)在主要關(guān)注的研究方向和目標,。" 他說,。

對于該研究的后續(xù)計劃，強哲希望不局限于制備碳材料,，也可以運用塑料的概念做任何的物質(zhì)材料制備,。因此，下一步他們計劃將該工藝做得更加精細化,。

參考資料：

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