东哈萨克斯坦地区向日葵壳碳化过程中工艺参数对所得材料理化特性的影响

《Polymers》：Influence of Technical Parameters of Carbonization on the Physical and Chemical Characteristics of Materials Obtained by Carbonization of Sunflower Husks from the East Kazakhstan Region

　　

2025年，哈萨克斯坦共和国内油脂工业呈现稳步增长，巩固了该国作为植物油主要生产国与出口国的地位。然而，该生产过程产生大量废弃物（高达每日100吨），其回收利用构成油脂工业经济的重要环节。植物废弃物高温处理已被证明是制备面向多行业新材料的一种颇具前景的方法。本研究旨在明确碳化工艺参数（处理温度与过程气氛）对东哈萨克斯坦地区向日葵籽壳在300、400、500、600、700及800 °C惰性氩气环境下碳化所得材料，以及在650 °C氧化环境下处理壳所得材料理化特性的影响，以进一步将其用作弹性体配方中的新型组分。在惰性环境中升高碳化温度，导致所研究材料的无定形碳含量、表面孔隙率及pH升高。另一随惰性环境温度升高呈增加趋势的参数为BET比表面积。在使用氧化环境的情况下，观察到最高pH值，同时可见结晶矿物相的形成。所研究材料相态的差异，可能在将其用于橡胶（rubber）配合料配方时，对聚合物基质空间堆砌的塑造起到重要作用。

研究背景与立项依据

东哈萨克斯坦地区油脂工业副产向日葵籽壳可达每日百吨级，传统堆积或焚烧处置既浪费碳资源又增加排放。功能添加剂在弹性体配合料中以小比例显著调控加工流变、硫化动力学与终端力学行为；以可再生生物质衍生炭部分替代石油基填料，兼具降本、减碳与性能可调优势。已有文献覆盖向日葵壳作吸附剂、燃料或催化剂载体，以及未处理壳填充环氧/聚氨酯体系，但关于控制气氛下300–800 °C宽温域连续碳化产物直接用作橡胶填料或功能助剂（共硫化活性剂/二次活化剂）的系统数据稀缺，且惰性-Ar与氧化-空气两条路线缺乏同前驱体对照。研究人员由此设计宽温域同条件氩气碳化序列（SHC₃₀₀–SHC₈₀₀）与650 °C空气氧化灰分（SHA₆₅₀），发表于《Polymers》，为弹性体配方定向选材提供基础数据集。

主要技术方法概括

研究人员取东哈萨克斯坦山麓带商品向日葵籽壳为原料，在倾转旋转管式炉（GSL 1100 XL）中以10 °C·min^?1升温，氩气（1 dm³·min^?1）下300–800 °C各保温50 min制得SHC系列；另在空气流量100 mL·min^?1（约4.5 m³·kg^?1原料）下650 °C氧化45 min再保温30 min制SHA₆₅₀。表征链涵盖：扫描电镜（SEM）观形貌、EDX荧光谱定元素、BET多点氮吸附属比表面积与吸附体积、FTIR-ATR（4000–500 cm^?1）析表面官能团、XRD（Bruker D8 Advance，5–80° 2θ）判物相、水悬浮液pH计测酸碱性。所有热工由PID控温±1 °C，固体收率由投料/出料质量差获得。

研究结果

1. 3.
   Results and Discussion
   SEM形貌显示惰性系列随温度由类原生纤维向薄壁多孔蜂窝演化，SHC₈₀₀碳骨架最致密疏水；SHA₆₅₀因碳架燃尽呈松散矿物灰形貌。EDX元素趋势表明SHC系列C含量至600 °C增至峰值后略降（高温泡孔结构崩解），O持续下降，K/Ca/Mg相对富集；SHA₆₅₀有机份几乎全氧化，残矿相富K/Ca碳酸盐。BET比表面积由SHC₃₀₀的13±0.65 m²·g^?1升至SHC₈₀₀的103±5.2 m²·g^?1（约7.9倍），吸附体积同步增大；SHA₆₅₀因无碳孔道而极低。水悬浮液pH由7.3（SHC₃₀₀）单调升至11.1（SHC₈₀₀），SHA₆₅₀因碳酸盐/氢氧化物相而达最高。FTIR表明300 °C谱保留O–H、脂肪C–H、C=O、C–O等木质纤维素特征；400–500 °C脱水脱羧、1600 cm^?1芳环C=C增强；600–700 °C氧基锐减、芳香sp²骨架主导；800 °C近无含氧基，仅余弱脂肪残峰。氧化样C–H/C=O带消失，显CO₃^2?（1450–1410 cm^?1）、PO₄^3?及碱土金属碳酸盐指纹。XRD示惰性系列均为宽化漫散峰（2θ≈21–25°与42–44°）对应乱层（turbostratic）无定形碳，矿物晶相弱；SHA₆₅₀显明锐晶相，拟含方解石、fairchildite（K–Ca碳酸盐）、arcanite（K₂SO₄）及MgO/MgCO₃等，无石英/钾盐主相（EDX低Si/Cl）。

讨论与结论翻译

讨论指出，600–800 °C惰性炭具发达芳构、高比表面与低极性含氧基，最利与非极性橡胶基质相容并物理吸附低分子助剂；低于500 °C炭残挥发分易在硫化期逸出致缺陷；氧化灰失碳架不适补强但富碱土金属碳酸盐可二次活化硫化体系。XRD与EDX联判确认温升使无定形碳与K/Ca/Mg矿物相对富集而非新生大量晶体，氧化路线则彻底转向结晶矿物相。

结论部分：300–800 °C跨气氛热化学处理使向日葵壳转化为理化表界面迥异的材料；惰性温升令碳含量（至600 °C）与pH、BET比表面积、孔隙率走高，C=O基消减；氧化650 °C得最高pH与结晶矿物相。碱性特质与金属含量使该类炭有望作弹性体共硫化/二次活化功能助剂，而500–800 °C惰性炭凭无定形碳+含氧基+多孔特征可作填料候选。该研究为同前驱体“炭–灰”双轨对照及宽温域结构演变提供了可复用基准。