将废弃塑料升级为碳纳米管-玄武岩纤维复合材料：合成方法、作用机制及在沥青路面中的应用

《Journal of Cleaner Production》：Upcycling waste plastic into carbon nanotubes-basalt fiber hybrids: synthesis, mechanism, and asphalt pavement application

　　

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  以废弃塑料为碳源，通过原位生长方法在玄武岩纤维表面制备了碳纳米管。
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  碳纳米管与玄武岩纤维的混合物在沥青中形成了三维网络结构，从而提升了复合材料的性能。
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  该研究为废弃塑料的资源化利用以及高性能沥青复合材料的开发提供了一种双重解决方案。

引言

随着现代交通基础设施的快速发展，沥青因其优异的黏结性、施工便捷性以及广泛的适用性，已成为道路工程中不可或缺的材料。沥青路面不仅能提供良好的行驶舒适度和低噪音环境，还具有较高的可回收性（Han等人，2024；Piao等人，2021）。然而，传统沥青材料在抗车辙性能和低温流变性能方面存在明显缺陷，难以满足现代交通系统复杂多变的运行条件（Sanfilippo等人，2022；Zhang等人，2023）。近年来，为克服沥青在路面应用中的性能限制，研究人员开始引入各种微米级材料（如木质素纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维）以及纳米级材料（如碳纳米管、石墨烯和纳米二氧化硅）（Yang等人，2020）。

玄武岩纤维是一种天然无机纤维，因其高强度、高模量、耐腐蚀以及环保等优良特性，被广泛用于沥青改性，以提高其抗车辙性、高温稳定性和低温变形能力（Chen等人，2023；Ni等人，2024）。例如，Cheng等人（2018）研究表明，加入玄武岩纤维能显著改善基础沥青的低温流变性能。市售的玄武岩纤维通常会涂覆上浆料，以提高其加工性能和与特定聚合物基体的相容性。但这些有机浆料在高温处理过程中可能会被去除，从而使玄武岩纤维的无机硅酸盐表面暴露出来。暴露后的玄武岩纤维表面较为光滑且化学性质稳定，与沥青之间的界面结合力较弱。此外，玄武岩纤维在沥青中的分散性较差，容易形成纤维束，这可能会导致应力集中，进而削弱其增强效果（Wu等人，2022）。因此，需要进一步对玄武岩纤维的表面进行改性，以提升其在沥青复合材料中的分散性、界面相容性以及应力传递效率。碳纳米管因其极高的长径比、出色的机械性能以及优异的电学和热传导性能，被视为改善沥青复合材料性能的理想材料（Quan等人，2024）。它们能有效提升沥青路面的抗变形能力，因此在道路工程中备受关注。不过，由于碳纳米管容易团聚且成本相对较高，直接将其用于沥青中的应用仍存在诸多限制（Wang等人，2024）。为同时发挥玄武岩纤维和碳纳米管的优势并弥补各自的缺陷，人们提出了微纳混合结构，旨在结合微米级和纳米级的增强效果。这类结构有望实现微米级承载与纳米级增强的协同作用。

基于上述理念，人们采用了多种方法将碳纳米管接枝到玄武岩纤维表面，这些方法包括浸涂干燥法（Kim等人，2019）、化学气相沉积法（CVD）（Mittal和Rhee，2018）、化学接枝法以及电泳沉积法（Balaji等人，2024）。其中，化学气相沉积法具有显著优势，因为它无需预先对碳纳米管进行分散处理，且能够制备出质量较高的混合材料（Mittal和Rhee，2018）。例如，Chang等人（2020）通过CVD方法在微米级的玄武岩纤维基底上原位生长碳纳米管，成功制备出了微纳混合结构。在这一过程中，选择合适的碳纳米管生长碳源至关重要。传统方法通常使用甲烷（CH?）和乙烯（C?H?）等纯烃类气体作为碳源（Yao等人，2018；Yamamoto等人，2017），虽然这些气体能够有效合成碳纳米管，但成本较高且会产生大量碳排放。因此，寻找廉价、易得、环保且储量丰富的碳源已成为碳纳米管制备领域的重要课题。为解决这一问题，研究人员开始探索生物质、塑料和煤炭等替代性碳源。塑料是现代工业中的重要材料，由于其重量轻、耐用且易于加工，被广泛应用于包装、建筑和交通运输领域。然而，废弃塑料的不断积累给环境带来了严重威胁（Cheng等人，2024）。因此，高效回收利用废弃塑料对于推动全球可持续发展具有重要意义。近年来，通过催化裂解将废弃塑料转化为高价值的碳纳米材料这一研究方向越来越受到重视（Cai等人，2024；Dai等人，2023；Li, J.L.等人，2024；Li, Q.L.等人，2024a；Li, Q.L.等人，2024b；Liu等人，2024；Meng等人，2024；Wang和Wang，2025；Yu等人，2023）。Li, Q.L.等人（2024b）通过Ni/Al?O?催化剂对废弃塑料进行催化热解，成功制备出了碳纳米管，并系统研究了不同类型塑料对碳纳米管生成的影响，为选择合适的废弃塑料碳源提供了有益参考。

在此基础上，本研究以废弃塑料为碳源，通过催化裂解技术在玄武岩纤维表面原位生长碳纳米管，进而制备出可用于沥青应用的碳纳米管-玄武岩纤维微纳混合材料。本研究的主要目标如下：（1）以废弃塑料为碳源合成碳纳米管-玄武岩纤维混合材料，优化塑料类型、催化剂类型、热解温度以及保温时间对碳纳米管生长的影响；（2）阐明在废弃塑料催化裂解过程中碳纳米管在玄武岩纤维表面的原位生长机制；（3）系统评估碳纳米管-玄武岩纤维混合材料对沥青复合材料的流变性能、界面行为、介电性能以及电磁干扰屏蔽性能的影响。研究结果表明，碳纳米管-玄武岩纤维混合材料在沥青基体中形成了三维网络结构，产生了协同增强效应，显著提升了沥青复合材料的整体性能。此外，这类复合材料还具备良好的电磁干扰屏蔽性能，显示出其在多功能路面应用中的潜力。总体而言，本研究为废弃塑料的资源化利用提供了有效途径，也为开发高性能多功能沥青复合材料给出了可行的策略。

章节要点

碳纳米管在玄武岩纤维表面的原位接枝

首先将一定量的玄武岩纤维放入瓷舟中，然后将其转移到管式炉中。以5℃/分钟的速度将炉温升高至300℃，并保持1小时，以此去除玄武岩纤维表面的浆料。处理后的裸露玄武岩纤维被记为BF，随后用于催化剂的沉积以及碳纳米管的生长。在整个加热过程中，还会以50毫升/分钟的流量持续通入氮气，以防止纤维氧化。这一脱浆步骤

碳纳米管-玄武岩纤维混合材料的微观结构与成分

通过扫描电子显微镜对三种不同类型的废弃塑料（聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯）在两种不同催化剂（钴和镍）作用下热解生成的碳纳米管的微观结构进行了分析，结果如图1所示。可以看出，从这三种塑料原料中都能在玄武岩纤维表面成功生长出圆柱形的碳纳米管。不过，塑料类型和催化剂共同影响了碳纳米管的形态以及其在纤维表面的覆盖程度。

从图1的(a)和(b)可以看出，这些纤维呈现出

结论

本研究通过废弃塑料的催化裂解，在玄武岩纤维表面原位生长碳纳米管，成功制备出了碳纳米管-玄武岩纤维混合材料，并系统研究了这类混合材料对沥青复合材料性能的提升作用。主要结论如下：

• (1)
  碳纳米管在玄武岩纤维表面生长的最佳条件为：以废弃聚乙烯作为碳源，钴作为催化剂，热解温度为900℃，保温时间

作者贡献说明

Yuegui Chu：数据整理、实验方法设计、结果可视化、初稿撰写。Pengpeng Duan：资金筹集、实验方法设计、实验资源准备。Song Liu：资金筹集、实验方法设计、实验资源准备。Ying Xu：实验资源提供、研究指导、论文修改与润色。Shaohua Zeng：资金筹集、实验结果验证、结果可视化、论文修改与润色。Jun Guan：研究思路构思、实验资源准备、研究指导。Hang Liu：资金筹集、实验结果验证、结果可视化、论文修改与润色。Pengpeng Chen：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金委员会提供的资金支持（项目编号：52203077）。同时，作者也感谢安徽省环保聚合物材料重点实验室在技术方面给予的帮助。

Yuegui Chu|Pengpeng Duan|Song Liu|Ying Xu|Shaohua Zeng|Jun Guan|Hang Liu|Pengpeng Chen