Macromol Mater Eng:Ultra-High Loading of Coal-Derived Flash Graphene Additives in Epoxy Composites.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的亮点和创新之处在于开发了一种从煤炭衍生的闪蒸石墨烯（MCFG）高负荷添加剂，用于环氧树脂复合材料。通过闪电焦化法从冶金焦中合成MCFG，实现了20%至50%的超高负荷量，显著提升了复合材料的机械性能。研究表明，当MCFG与环氧树脂的比例达到1:2时，杨氏模量增加了92%，而当比例为1:3时，硬度增加了140%。此外，采用这种方法生产的闪蒸石墨烯成本低廉，为其在工业规模应用开辟了新的可能性，同时还能显著减少温室气体排放、水消耗和能源消耗。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几点：

（1）环氧树脂复合材料因其优异的机械性能、耐腐蚀性和绝缘性，广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。

（2）石墨烯作为一种新型的纳米材料，由于其独特的结构和性能，被认为是增强复合材料性能的理想选择。

（3）传统的石墨烯生产方法成本高昂，限制了其在工业规模应用中的广泛应用。

（4）煤炭是一种丰富的碳源，如果能从煤炭中高效、低成本地生产石墨烯，将对环境保护和资源利用具有重要意义。

（5）当前研究缺乏将高负荷石墨烯有效地应用于环氧树脂复合材料的方法，尤其是在保持或提高材料性能的同时，实现成本的大幅度降低。

这些背景点明确了研究的重要性和紧迫性，指出了通过从煤炭直接生产石墨烯的潜力，以及这种方法对于提升复合材料性能和实现可持续生产的重要贡献。

三、研究方法

本篇文献的研究方法包括以下几个关键步骤：

（1）材料准备：使用煤焦（MC）作为原料，通过筛选得到特定大小的颗粒，然后使用变频脉冲电流（FJH）处理，以生成从煤衍生的闪蒸石墨烯（MCFG）。接着，将MCFG与环氧树脂和固化剂混合，以制备复合材料。

（2）复合材料制备：将环氧树脂（DGEBA）与固化剂和不同比例的MCFG混合，通过机械搅拌和高剪切混合来确保MCFG在树脂中的均匀分散。然后，在无溶剂的条件下固化得到最终的复合材料。

（3）材料表征：采用拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、纳米压痕（以评估材料的力学性能）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和粘度测量等多种技术对MCFG和复合材料进行详细表征。

（4）力学性能测试：通过压缩和拉伸测试评估复合材料的宏观力学性能，包括杨氏模量、硬度、最大压缩强度、最大应变和韧性。这些测试帮助确定MCFG添加剂对环氧树脂复合材料性能的影响。

这一系列的研究方法不仅展示了从原料准备到最终产品表征的全过程，还涵盖了材料的微观结构与宏观性能之间的关系，展现了该研究的综合性和系统性。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论如下：

（1）成功制备复合材料：通过简单的一锅法过程，包括剪切混合和机械搅拌，成功制备了由煤衍生闪蒸石墨烯（MCFG）和DGEBA环氧树脂组成的复合材料。高MCFG的摄取率使得基体材料能够替换20%到50%的环氧树脂，这是通过高质量的涡流石墨烯实现的。

（2）显著提高机械性能：MCFG作为增强添加剂，能够显著提升材料的机械性能。在优化条件下，杨氏模量、硬度、最大压缩强度和最大应变分别增加了92%、140%、145%和61%。韧性也能提高496%。

（3）低成本生产：通过FJH方法生产MCFG的低成本，使其可以作为环氧树脂的填料替代品，仅导致密度增加0.06至0.23 g/cm³之间。

（4）环境友好的替代应用：这项技术不仅提供了一种环境友好的煤炭和煤衍生材料的替代应用，而且由于材料性能的提高以及MCFG的低能耗、低水耗和低温室气体排放，还可能降低成本和排放，为石墨烯在环氧树脂复合材料应用中的增强添加剂和填料的增加使用开辟了新的可能性。

（5）降低温室气体排放、水消耗和能耗：在最佳性能比例1:3的条件下，温室气体排放、水消耗和能耗分别减少了17%、23%和17%。通过提高批量大小和降低能量密度等FJH过程的改进，可能进一步减少温室气体排放、水消耗和能耗。

这些结论表明，通过从煤衍生的闪蒸石墨烯（MCFG）作为增强添加剂，不仅能够显著提高环氧树脂复合材料的机械性能，还能以低成本和环境友好的方式实现，为石墨烯的工业应用提供了新的视角和潜力。

五、后续研究改进

通常，基于此类研究的性质和结果，可能的后续研究改进方向可以包括：

（1）进一步优化MCFG的生产工艺：虽然已经展示了通过闪电焦化法从冶金焦制备MCFG的有效性，但进一步的研究可以探索更高效、更环保的生产方法，以降低成本并提高产量和质量。

（2）探索不同类型碳源对MCFG性能的影响：研究可以扩展到使用不同种类的碳源，如不同种类的煤或其他富含碳的材料，以评估它们对MCFG性质和性能的影响。

（3）MCFG在其他树脂系统中的应用研究：尽管本研究主要集中在环氧树脂复合材料上，但MCFG可能也适用于其他类型的树脂或聚合物基体，如聚酯、酚醛等，这些领域的研究可以拓宽应用范围。

（4）详细的机理研究：深入研究MCFG和树脂基体之间的相互作用机制，以及MCFG如何改善复合材料性能的详细机理，可以帮助设计出性能更优的复合材料。

（5）环境影响和可持续性评估：进一步评估生产过程和材料使用对环境的影响，包括生命周期分析（LCA）和可持续性评估，以确保新技术的环境友好性。

（6）规模化生产和应用测试：探索将这项技术规模化的可能性，并进行实际应用测试，如在航空航天、汽车、建筑等领域的应用研究，以验证其工业应用的可行性和效益。

这些建议基于一般的科研实践和类似领域的研究趋势，旨在为未来的研究方向提供指导。