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미국 라이스 대학의 연구진은 고무 타이어의 폐기물을 그래핀으로 변환하는 공정을 최적화하여 콘크리트를 강화하는 데 사용할 수 있게 함.

그래핀은 시멘트질 재료, 특히 콘크리트를 분자 수준에서 강화하는 것으로 입증됨.

매년 폐기되는 8억 개의 타이어 중 대부분은 연료로 태워지거나 다른 용도로 분쇄되지만, 그 중 16%는 매립지에 버려짐. 그 일부를 그래핀으로 변환하면 수백만 개의 타이어가 매립지에 버려지는 것을 막을 수 있음.

2020년 연구진이 도입한 "플래시" 공정은 음식물 쓰레기, 플라스틱 및 기타 탄소원을 전기 충격에 노출시켜 시료에서 탄소 원자를 제외한 모든 것을 제거하는 데 사용되었음. 이러한 원자는 가치 있는 터보스트래틱 구조의 그래핀으로 재조립되며, 이는 그래파이트에서 박리를 통해 생성된 그래핀보다 더 잘 용해되는 오정렬된 층임. 따라서 복합 재료에서 사용하기가 더 쉬움.

고무는 식품이나 플라스틱보다 그래핀으로 전환하는 것이 더 어려웠지만, 연구진은 타이어에서 나온 상업용 열분해 폐고무를 사용하여 공정을 최적화했음. 폐타이어에서 유용한 오일을 추출한 후 이 탄소 잔류물은 지금까지 거의 0에 가까운 가치를 가졌다고 연구진은 설명함.

타이어에서 추출한 카본 블랙 또는 파쇄된 고무 타이어와 상용 카본 블랙을 혼합하여 그래핀으로 만들 수 있음. 터보스트래틱 그래핀은 수용성이기 때문에 시멘트에 쉽게 첨가하여 환경 친화적인 콘크리트를 만들 수 있음.

연구진은 타이어에서 추출한 카본 블랙과 그 물질의 약 70%가 그래핀으로 전환되었음을 발견함. 전도성을 추가하기 위해 일반 카본 블랙과 혼합된 파쇄된 고무 타이어를 플래싱할 때 약 47%가 그래 핀으로 전환됨. 탄소 이외의 요소는 다른 용도로 배출되었음.

전기 펄스는 300밀리초에서 1초 사이에 지속되었음. 실험실은 변환 과정에 사용되는 전기가 시작 탄소 톤당 약 $100의 비용이 들 것이라고 계산함.

연구진은 타이어에서 추출한 그래핀의 미세한 양(타이어 카본 블랙의 경우 0.1 wt%, 카본 블랙 및 파쇄된 타이어의 경우 0.05 wt%)을 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 콘크리트 실린더를 생산하는 데 사용했음. 7일 양생 후 시험한 실린더는 압축 강도가 30% 이상 증가한 것으로 나타났음. 28일 후, 0.1 wt%의 그래핀은 두 제품 모두 최소 30%의 강도 증가를 나타냄.

이러한 강도 증가는 부분적으로 시멘트 수화물 제품의 더 나은 성장을 위한 2D 그래핀의 씨 뿌리기 효과 때문이며 부분적으로는 후기 단계에서의 강화 효과 때문이라고 연구진은 설명함.

본 연구 성과는 Carbon ("Flash Graphene from Rubber Waste")에 게재됨.