[发明专利]一种从炭中提取纳米碳多形晶混合物的绿色方法

说明书

本发明涉及一种从炭中提取纳米碳多形晶混合物的绿色制造方法和应用。该方法选用碳化度合适的炭并弃用化学腐蚀而采用物理磨碎的方法提取炭中的碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米洋葱、纳米石墨等纳米碳多形晶，勾调来源不同、成分相异但特性互补的纳米碳多形晶，舍弃高成本和高环境负荷的分离提纯再复合的传统途径,制成低成本优质纳米碳多形晶混合物配方产品，开发这种配方在下游产业的应用,特别是作为复合物生产中复合添加剂的应用,包括水泥基、聚合物基和金属基复合材料的生产。

技术领域

本发明涉及一种从炭中提取纳米碳多形晶混合物的绿色制造方法和应用。该方法选取碳化度合适的炭后采用物理磨碎和弃用化学腐蚀提取炭中的碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米洋葱、纳米石墨等纳米碳多形晶，采用勾调来源不同、成分相异但特性互补的纳米碳多形晶的方法,舍弃高成本和高环境负荷的分离提纯再复合的传统方法，制成低成本优质纳米碳多形晶混合物配方产品，开发这种配方在下游产业的应用,特别是作为复合物生产中复合添加剂的应用,包括水泥基、聚合物基和金属基复合材料的生产。

背景技术

碳是地壳中最丰富的化学元素之一。在地球上，大多数碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，这些分子存在于大气中或溶解在各种水体中。一些二氧化碳分子被许多藻类和植物还原和改造成具有碳-碳、碳-氢和碳-氧键的分子，形成它们有机体的主要组成部分。在漫长的地球历史中，一些有机体被埋在地下，由于温度和压力的自然变化导致有机体碳化，包括氧和氢等的释出，慢慢地转化为非晶形碳质固体，通常被称为煤。然而，非晶形碳在固体碳的同素异形体中并不是最稳定的。在高温厌氧条件下，非晶形碳可以重组其结构，转化为结晶石墨。在极高的压力和温度下，非晶形碳和石墨也能转化为金刚石晶体。金刚石、石墨和煤的密度分别为3.5、2.2和1.0-1.6 g/cm³。在这些自然生产过程中，相对的自然生产困难程度和自然稀有度影响了它们的价格，高清晰度珠宝级的钻石价格约为每克10万元，高质石墨约为每公斤20元，而煤约为每吨400元。

除煤外，市场上的主要固体碳源是炭。炭是煤、木材和其他生物质等在缺氧下加温引导的人工碳化的产物。例如焦煤在900-1050^oC碳化成普通焦炭，主要用作于炼钢的还原剂和掺杂剂；木材在较低温度碳化成普通木炭，主要用于燃料；生物质如椰壳碳化成多孔活性炭，用于吸污；煤炭行业中也有将无烟煤在1500-2000^oC碳化成炭，用于炼铝的电极与还原剂。炭的微结构成分基本上是非晶碳与微纳石墨的多孔混合体。炭的市价约每公斤2-3元。

此外，含碳的气体/液体/固体也可以在人工碳化的材料制备条件的高温下，或在放电的材料制备条件下形成碳纤维和碳黑。碳纤维和碳黑的微结构成分基本上也是微纳石墨和非晶碳的混合体。这些产品亦已经在业界广泛使用了几十年，主要用于复合物产业的复合添加剂。例如碳黑是橡胶的复合添加剂和填充剂，全球年产超过千万吨，市价约每公斤7元。虽然人工碳化制造如炭与碳黑等微纳石墨和非晶碳的混合体提高了碳原材料的市场价值，但现有的人工碳化技术大都采用加温的方式释出含碳原材料中的挥发性成分，释出物质的提取与排放又往往没有完善的管理,违反现代绿色化学与工程学守则[1]，破坏环境和生态，亟待改善。

近年来，科学家又发明了几种新型纳米碳多形晶的制备方法，这些纳米材料具有不同寻常的优异功能特性、新的应用前景和高利润市场前景。这些新兴的碳纳米晶体(如图1所示)包括碳纳米洋葱[2-3]、富勒烯[4]、碳纳米管[5-6]、碳纳米纤维[7-8]、石墨烯[9]、纳米金刚石[10]；由于它们都具有衍射特征，均可归类为纳米晶体。将诺贝尔奖授予富勒烯和石墨烯的发明者，也很好地说明了这些新兴纳米材料的重要性。此外，碳纳米管材料和石墨烯材料都已大规模生产，并不断涌现出其优异性能转化为下游应用的实例。它们目前的市场价格因品种和纯度而异，每公斤价格在2千元至7万元之间。因此，它们目前的价格远远高于煤炭[11]、石墨、普通金属（如每公斤15元的铝）、普通聚合物（如每公斤15元的橡胶与每公斤9元的聚乙烯）以及工业中许多其他工程材料的价格。这种高价格意味着高盈利能力，但也严重阻碍了这些纳米碳多形晶作为添加剂和原材料的实际市场渗透。