中国学者开创惊人技术：3D打印塑料变碳，量产化碳材料现已可行，解决塑料回收难题的新工艺震撼问世！

图丨强哲

碳材料在储能、热管理、电子设备、生物工程、高性能复合材料等众多领域扮演着重要的“角色”。但实际上长期以来，碳材料的加工之路却因其熔点过高等原因一直“困难重重”。
虽然碳纤维、石墨烯、碳纳米管等高性能的碳材料功能性强，但它们仍不能作为材料主体被应用。在大多数时，只能作为添加剂或增强性材料被共混在高分子中进行加工。这会导致碳材料的优秀的导热、导电性能被“浪费”。
科学家们曾尝试各种办法尝试解决碳材料制备的难题，例如通过聚丙烯腈或其他高分子材料制备碳纤维。但是，碳材料制造以及高分子的前驱体的选择仍然非常受限。
最近，美国南密西西比大学助理教授强哲课题组开发了一种简单、可扩展的方法，首次实现可量产化制备 3D 宏观结构碳材料。他们从高分子的制备角度出发，通过 3D 打印一种常见的高分子聚丙烯（polypropylene ，PP），然后把它进行特殊的交联，成功地将 PP 转变成构型和机械性能良好的碳材料。
值得关注的是，由于碳材料具备良好的电热性能和力学性能，通过 3D 打印将塑料变成碳的工艺，可实现高效的电热转换，有望解决传统工业中高能耗的问题，甚至解决塑料垃圾可回收的问题。
审稿人指出，该研究极具创造力，其中的部分实验结果甚至有些不可思议。用简单的方法和最普及的塑料实现对碳材料的三维结构控制，该技术会对多个应用领域起到深远的影响。
最近，美国南密西西比大学助理教授强哲课题组开发了一种简单、可扩展的方法，首次实现可量产化制备 3D 宏观结构碳材料。他们从高分子的制备角度出发，通过 3D 打印一种常见的高分子聚丙烯（polypropylene ，PP），然后把它进行特殊的交联，成功地将 PP 转变成构型和机械性能良好的碳材料。
值得关注的是，由于碳材料具备良好的电热性能和力学性能，通过 3D 打印将塑料变成碳的工艺，可实现高效的电热转换，有望解决传统工业中高能耗的问题，甚至解决塑料垃圾可回收的问题。
审稿人指出，该研究极具创造力，其中的部分实验结果甚至有些不可思议。用简单的方法和最普及的塑料实现对碳材料的三维结构控制，该技术会对多个应用领域起到深远的影响。

图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

近日，相关论文以《商品聚丙烯用于 3D 打印碳增材制造》（Additive Manufacturing of Carbon using Commodity Polypropylene）为题发表在 Advanced Materials 上[1]。

南密西西比大学博士研究生保罗·史密斯（Paul Smith）为该论文的第一作者，助理教授强哲为论文通讯作者。

1、实现 3D 宏观结构的按需碳制造

长期以来，塑料一直被认为是造成白色污染的主要原因之一，并且通过微塑料等方式已经进入了海洋和生态系统中。因此，塑料经常与“垃圾”联系在一起。为了解决这个问题，强哲课题组一直致力于研究可持续性的塑料闭环。他们希望通过技术的推动，将塑料废弃物变成高性能的复杂材料，从而解决环境问题。

在此前的研究中，该团队已经探索过将塑料转化为碳材料的方法。在一项与新冠疫情有关的研究中，他们将高分子纤维材料转化为碳纤维，并发现高分子材料的宏观结构在经过高温处理后仍然能够保留，形状几乎没有发生明显变化。这启发了强哲，他们想探索是否可以通过类似的方法将三维宏观构型的碳材料制备出来，并且保留整体形状。

来源：Advanced Materials

然而，如何制备这种三维宏观构型的碳材料成为了一个关键性难题。此前并没有相关文献可供参考。最近几年，随着3D打印技术的发展，已经可以使用3D打印技术制造金属材料。因此，强哲想到通过3D打印塑料，并将其转化为碳材料来解决这个难题。

来源：Advanced Materials

这是一种大胆的创新，最初提出时，课题组成员都认为难以实现。因为在传统的行业中，磺化交联聚烯烃方法不能用于大规模的高分子产品。然而，令人印象深刻的是，他们在第一次尝试中就成功了，并且与以往文献的结果完全不同。此外，该材料具有很强的功能性，让整个团队非常兴奋。

显然，这种现象并不寻常，因此该团队花费了很长时间来探索相关机理，并发现这种“反常”现象背后隐藏着很深奥的学问。在研究机理的过程中，该团队还发现了一些非常有意思的诱导反应，这些诱导反应会导致高分子材料产生裂缝，进而实现交联。强哲表示：“我们的这些实验

2、为塑料赋能，有望在 1-3 年落地应用

团队的目标是通过为塑料赋能来解决塑料垃圾和环境污染等可持续性问题。他们在系统设计上选择了低耗材料和简单方法，希望该技术能够在学术界和工业界得到广泛应用。聚丙烯前驱体易于获得且价格低廉，这是该技术未来产业化发展的必要条件。该团队预计3D打印的塑料价格将约为十几元每吨，市场上的3D打印机大约需要一两千元。强哲表示：“我们的碳化工艺可与传统的碳材料制造无缝衔接，因此不需要建立新的产业链以适应该工艺。用一种低成本、精致的材料制备方法做出以前从未尝试过的技术，这让我们的团队感到非常兴奋和自豪。”

来源：Advanced Materials

该技术的现有量产化制备3D结构碳材料的工艺可能应用于哪些领域呢？强哲认为，该技术最有可能应用于解决芯片散热问题。随着超级计算机的普及，其耗能和耗热问题也接踵而至。传统的散热芯片重量较大，散热效率也较低。相比之下，碳材料的散热效率更高，并且通过三维结构的设置可以实现最高效率的散热。
另一方面，大多数国家已经制定了战略计划，希望在2050年前达到碳中和和碳峰值。强哲表示，通过低能耗的工业生产，将更有利于帮助世界各国、各个领域的工业技术达到更好的碳中和效果。因此，该技术的另一个可能的应用场景是将工业化程序从常规加热变为电加热，以大量减少能耗，符合“碳中和”规划和环境的可持续发展。
强哲补充道：“此外，该技术在生物医学和水处理等领域也具有应用潜力。”据了解，该团队已与相关公司合作进行应用转化和商业化，并有望在1至3年内落地应用。他说：“用科学技术去解决社会的实际问题非常有意义，这也激励我们不断前进。我们正在努力

3、计划将工艺做得更加精细化

强哲是一位从东华大学材料科学与工程系本科毕业后来到美国阿克伦大学高分子工程系完成硕士和博士阶段学习的学者。在科研工作中，他发现了解决科研问题的乐趣。随后，他在美国西北大学化学与生物工程系进行了为期三年的博后研究，2019年加入南密西西比大学高分子科学与工程系担任助理教授。他感慨道，他每个阶段都遇见了优秀的导师，这些导师的言传身教让他深有启发并受益匪浅，也成为了他学习和进步的榜样。他的博士导师曾经和他说过，“当你学会了如何钻研一个我还并不了解的领域时，你就可以毕业了。”他认为，读博不仅仅是要去解决某些课题，更重要的是要探索自己的潜能和天赋。因此，他经常鼓励学生们要敢想、敢做、勇于创新。

图丨强哲课题组（来源：强哲）

强哲的身份变化也带来了“使命”的转变。他发现成为博士生导师后，他有了一个更好的科研和教育平台，也更需要去发现问题以及判断技术的未来发展。他的课题组通过科学的方法为垃圾塑料“赋能”开展了系列研究，将其转变为碳捕捉、水处理以及电热的碳材料。课题组发明的科技具有重要的商业价值和可能带来深远的影响。他表示，除了自己的成就，看到学生们通过努力获得美国能源部、美国科学协会等荣誉和奖项，也是课题组的另一个“荣耀时刻”。

对于强哲来说，未来最想攻克的科学难题是，在传统工艺改进条件下，通过材料性能的突破加速塑料领域实现碳中和发展。但他同时也指出，企业实现环境的可持续发展的同时，不能忽视的另一个重要的问题是经济的可持续发展。因此，课题组的研究方向是用最少的成本去做最好的碳捕捉优化。他说：“我们不能只谈环境不谈经济和

参考资料：

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