收藏本站
《太原理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

富勒烯类碳材料低温制备、表面改性及在聚合物基体中的分散性研究

郭兴梅  
【摘要】: 光子晶体是由两种或两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。光子带隙是光子晶体的最根本特征之一,光子带隙的存在可以使我们如愿地控制光子的运动,制造出高性能的光学器件和通信元件。非密堆积结构的光子晶体由于对光子带隙有展宽作用,更易形成完全光子带隙,因而进一步研究非密堆积结构的光子晶体的制备更有着深远的意义。理论计算表明C_(60)/AlN、C_(60)/GaN、C_(70)/AlN、C_(60)薄膜和二氧化硅包覆碳球(CSs)在紫外、可见以及近红外光区存在光子带隙,这预示了洋葱状富勒烯(OLFs)、碳球类碳材料在光子晶体领域具有潜在的应用前景。本文围绕构成碳基光子晶体结构单元即OLFs类碳材料的低成本制备、表面修饰和在聚合物基体中的分散进行展开,为进一步探索其作为碳光子晶体材料的应用提供重要的基础性实验准备。主要取得了以下几方面的结果: (1)采用CVD法,以Fe/Al(OH)_3和Fe/NaCl为催化剂低温(400℃)制备了OLFs。首先,考察了温度对Fe/Al(OH)_3催化CVD法产物结构与形貌的影响,结果表明低温400℃有利于OLFs的生长,产物为纯度高的内包Fe_3C的OLFs,对其进行真空热处理得到了纯度高、石墨化程度较高、直径分布在15-60nm之间的OLFs。其次考察了催化剂活性组分Fe的含量对Fe/NaCl催化CVD法产物结构与形貌的影响,结果表明低的Fe负载量有利于合成纯度高的OLFs,当Fe负载量为0.3wt%时,合成了直径在15-50nm的OLFs,对其进行真空热处理得到了纯度高、石墨化程度较高、直径分布在15-50nm之间的OLFs。由于载体NaCl仅通过水溶就可以将其从产物中去除,因此Fe/NaCl催化CVD法是低成本制备高纯度OLFs的有效方法。在实验结果的基础上,提出了内包碳化铁OLFs生长机理—VS生长模型:碳源气体C2H2在催化剂颗粒(纳米Fe颗粒)吸附、分解,分解和初步缩聚出的碳原子簇在催化剂晶格间的扩散、析出、重组成层状堆积结构排列的石墨片层。由于反应温度较低,在催化剂晶格间扩散的碳原子不能完全析出,便与Fe形成碳化铁,被已经形成的石墨片层所包裹,最终形成内包碳化铁的石墨化程度不高的OLFs。 (2)以CSs为模板核,以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体,通过溶胶-凝胶法在CSs表面包覆SiO_2得到了CSs-SiO_2核-壳结构的复合物球,实现了CSs表面的包覆改性。然后经过高温焙烧除去复合物球中的CSs核得到空心二氧化硅球。首先考察了包覆时的介质条件对包覆效果的影响,发现碱性介质有利于在CSs表面包覆二氧化硅,得到的复合物球表面光滑,包覆层厚且厚度均一。通过改变前驱体TEOS的用量和反应时间可控制包覆层的厚度,即空心SiO_2球壳层的厚度。CSs表面包覆SiO_2后热稳定性提高。在实验基础上,提出了CSs-SiO_2核-壳结构和空心SiO_2球可能的形成机理—静电作用机理。阳离子表面活性剂CTAB改性的CSs表面带正电荷通过静电引力吸附实验pH下带负电荷的TEOS水解产物SiOH,沉积在CSs核表面的SiOH缩合形成结构致密的SiO_2包覆层,得到核壳结构复合物球。焙烧除去CSs核后,得到空心SiO_2球。 (3)采用HNO_3/H2O2、HNO_3和HNO_3/H2SO4等多种氧化剂对CSs进行氧化改性,系统研究了氧化剂的配比、浓度和氧化时间对CSs结构形貌、引入的官能团的种类和数量的影响,并考察了不同氧化条件处理的CSs在水中的分散性能。以HNO_3/H2O2混合溶液为氧化剂时,氧化时间和体积比相同条件下,随HNO_3、H2O2浓度的增加,引入的-COOH、-C-OH和-C=O等含氧官能团的量增加;当浓度不变时,CSs表面-COOH、-C-OH和-C=O等含氧官能团的含量随HNO_3和H2O2体积比的变化而变化。采用体积比为1︰1的浓HNO_3/H2O2处理时,氧化改性的效果最好,引入的含氧官能团最多,氧化后的CSs表面-COOH、-C-OH、-C=O和含氧官能团的总量分别为0.2614mmol/g、1.105mmol/g、0.7976mmol/g和2.164mmol/g。以HNO_3为氧化剂时,随HNO_3浓度的增加和氧化时间的延长,引入的-COOH、-C-OH和-C=O等含氧官能团的含量增加,浓HNO_3处理1h的改性效果最好,引入的含氧官能团最多,-COOH、-C-OH、-C=O和含氧官能团的总量分别为0.8080mmol/g、3.021mmol/g、1.047mmol/g和4.876mmol/g。以混酸为氧化剂时,相同温度下,随处理时间的延长,-COOH、-C-OH和-C=O等含氧官能团的量增加。混酸处理1h的碳球表面-COOH、-C-OH和-C=O的含量分别为0.5080mmol/g、3.510mmol/g和0.3790mmol/g,含氧官能团的总量为4.379mmol/g。三种氧化体系相比较,混酸氧化改性的效率最高,接着依次是浓HNO_3和HNO_3/H2O2。氧化后CSs表面的亲水性和在水中的分散性明显改善,不同氧化条件下引入的官能团的种类和数量不同,因此可以通过改变氧化条件来控制CSs表面官能团的种类和数量。 (4)利用氧化改性后CSs表面的-COOH、-C-OH与丙烯胺或丙烯酰氯反应均可在CSs表面引入乙烯基基团。将乙烯基功能化碳球直接加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体,通过原位聚合法得到了CSs均匀分散、与聚合物相容性好的复合材料。将氧化改性的CSs用NaOH处理使其离子化后,与可聚合表面活性剂十八烷基二甲基苄基苯乙烯氯化铵(VODAC)一起加入MMA中,通过原位聚合法得到了CSs均匀分散的复合材料。将离子化CSs与VODAC一起加入水中分散均匀后,再加入MMA或苯乙烯(St)萃取,萃取结束后取出油相再原位聚合-萃取聚合法,结果表明在聚甲基丙烯酸甲酯基体中,碳球分散性和与基体的相容性均很好;在聚苯乙烯基体中碳球分散性很好,但与基体的相容性略差一些。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 赵传山;逄锦江;唐杰斌;王晶晶;陈克复;;对硅酸铝隔热纤维纸的探讨[J];中华纸业;2009年02期
2 王伟;冯晓健;胡华国;;阴离子型水性超分散剂对纳米TiO_2的表面改性[J];南京师范大学学报(工程技术版);2008年02期
3 胡志军;;碳纤维的表面处理与成纸导电性能[J];纸和造纸;2009年12期
4 段国荣;杨绪杰;陆路德;汪信;;超微氧化铈粉体的表面改性及分散性能研究[J];材料科学与工艺;2007年05期
5 武军;陈维冬;郭志斌;杨永刚;贾静儒;曾凤彩;;纳米TiO_2在纤维素溶液中的分散性能[J];武汉大学学报(理学版);2008年04期
6 蒋学;王银豪;王霁昱;田秀枝;黄丹;王树根;;丙烯酸丁酯原位悬浮聚合法制备表面改性纳米TiO_2[J];涂料工业;2010年02期
7 那帝牧;谢景毅;马育红;杨万泰;;单壁碳纳米管的光解法功能化及其对分散性能的影响(英文)[J];新型炭材料;2010年02期
8 杜振霞,贾志谦,饶国瑛,陈建峰;纳米碳酸钙表面改性及在涂料中的应用研究[J];北京化工大学学报;1999年02期
9 邵谦;王成国;朱云峰;葛圣松;;用于合成纳米苯丙乳液的纳米TiO_2表面改性及表征(英文)[J];功能材料;2006年04期
10 施奇武;黄婉霞;郭刚;颜家振;王玉忠;涂铭旌;;铝酸酯干法改性纳米TiO_2及其在粉末涂料抗老化中的应用[J];高分子材料科学与工程;2009年09期
11 邱军;张世红;王国建;龚懿蕾;;多壁碳纳米管的表面改性及其在防火涂料中的应用[J];新型炭材料;2009年04期
12 唐艳军;李友明;宋晶;陈中豪;徐林;;纳米CaCO_3的表面改性及在水中的分散性能[J];中国造纸;2006年10期
13 朱玉锋;粉煤灰的表面改性和改性粉煤灰水泥[J];硅酸盐学报;1989年01期
14 宋效民;;玻璃表面改性的凝胶法镀膜技术研究通过鉴定[J];砖瓦世界;1990年04期
15 许观藩,肖军,郑国栋,张金兰;聚三甲硅基丙炔膜表面改性的XPS研究——Ⅰ.用N-溴代丁二酰亚胺的表面改性[J];功能高分子学报;1992年03期
16 张梦显,李如;浅谈硅灰石的深加工及应用[J];非金属矿;1992年06期
17 李青;材料表面改性技术[J];功能材料;1997年01期
18 周春隆;有机颜料商品化及表面改性(修饰)技术[J];染料工业;2002年02期
19 刘华,崔春翔,申玉田;生物医用钛合金的表面改性[J];河北工业大学学报;2003年05期
20 朱元右;等离子体技术在金属材料表面改性中的应用[J];机械;2003年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 孙政铎;王杰;张雄;;聚丙烯纤维表面改性及其性能评价方法[A];结构混凝土创新与可持续发展——第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文集[C];2005年
2 乔祝云;蒋翀;刑强;陈彦模;张瑜;;Y_2O_3的表面改性及在PS中的分散性研究[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
3 崔平;李勇;;纳米碳酸钙制备及其应用[A];纳微粉体制备与应用进展——2002年纳微粉体制备与技术应用研讨会论文集[C];2002年
4 王国宏;王志刚;徐凛;殷婷婷;王晨欣;;纳米TiO_2/ZnO的表面改性及表征[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第5分册)[C];2010年
5 郑保民;况园珠;王宇;李晓谦;张海文;顾汉卿;赵景丽;;多功能离子束医用材料表面改性装置[A];2000年材料科学与工程新进展(上)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
6 黄楠;杨萍;冷永祥;陈俊英;孙鸿;王进;万国江;丁培道;奚廷斐;;生物材料抗凝血表面改性[A];第九届全国生物材料学术会议(CBMS-9)论文集[C];2002年
7 周涛;叶红齐;Rajesh Dave;Robert Pfeffer;;粘性颗粒表面改性后的流态化性能[A];中国颗粒学会2004年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议文集[C];2004年
8 李宝智;;粉煤灰的特性、结构及在高分子材料中的应用[A];第二届中国商品粉煤灰及磨细矿渣加工与应用技术交流大会论文集[C];2004年
9 陆铭;徐晴岩;宫瑞婷;王泱泱;;白炭黑表面改性及应用研究进展[A];2006年全国高分子材料科学与工程研讨会论文集[C];2006年
10 魏云峰;邱化廷;邵晓林;章峻;;聚乙二醇在石墨表面的饱和吸附研究[A];“国际化学年在中国”——中国化学会第三届全国热分析动力学与热动力学学术会议暨江苏省第三届热分析技术研讨会论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 邹海魁;碳酸钙表面改性当重视[N];中国化工报;2000年
2 上海三瑞化学有限公司 冯中军 傅乐峰 王肖峰 季春伟 郑柏存;新型聚羧酸系超塑化剂的研制[N];中国建材报;2006年
3 董小雷;纳米粉体表面改性技术有待提高[N];中国化工报;2002年
4 陈希荣;传统包装材料的纳米改性技术[N];中国包装报;2010年
5 本报记者 王建高 通讯员 毕雪峰 何意光;院士“牵住”企业的手[N];科技日报;2011年
6 姜小毛;卡博特蓝星气相白炭黑标准获审[N];中国化工报;2007年
7 朱冠生;涂料助剂向多功能方向发展[N];中国化工报;2006年
8 驻沪记者 魏赟;骨科植入材料开发聚焦表面改性[N];医药经济报;2011年
9 记者 李晓岩 刘群;气相二氧化硅应用研发受宠[N];中国化工报;2004年
10 本报记者 苏琳 通讯员 宋作宇;潜心钻研结硕果[N];经济日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭兴梅;富勒烯类碳材料低温制备、表面改性及在聚合物基体中的分散性研究[D];太原理工大学;2010年
2 彭志坚;载能离子陶瓷刀具表面改性研究[D];清华大学;2004年
3 刘玉山;核—壳结构的凹凸棒土—聚合物纳米复合材料的制备与表征[D];兰州大学;2008年
4 张利;胶体五氧化二锑的制备、性质及对环氧树脂阻燃作用的研究[D];中南大学;2005年
5 黄承敏;等离子浸没注入和多弧离子镀对纯钛及钛合金表面改性的基础研究[D];四川大学;2004年
6 王燕鸿;磷掺杂对活性氧化铝性能与结构的影响及机理研究[D];天津大学;2008年
7 王雪梅;功能化介孔材料的合成及其在固相微萃取中的应用[D];西北师范大学;2009年
8 马振叶;纳米氧化物的制备及其催化性能研究[D];南京理工大学;2004年
9 林云;高分子磁体/无机物复合材料的电磁性能与应用研究[D];四川大学;2005年
10 胡圣飞;PVC/稻壳粉复合材料结构与性能研究[D];武汉理工大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张清辉;超细氧化铁红颜料粉体的表面改性研究[D];北京工业大学;2002年
2 王荣;聚丙烯表面改性及丙纶纤维增强水泥基复合材料应用性能的研究[D];青岛大学;2004年
3 杨思广;低密度聚乙烯膜的表面改性及其性能研究[D];广西大学;2005年
4 李哲男;纳米填充型聚合物的制备及其导电性的研究[D];大连理工大学;2006年
5 李建婷;多壁碳纳米管表面改性及其微波吸收性能研究[D];西安电子科技大学;2007年
6 戴胜;碳纳米管的环氧化改性以及碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能研究[D];上海交通大学;2007年
7 焦志辉;碳纳米管/硫属半导体复合材料的制备及性能研究[D];浙江大学;2008年
8 金辉;芳纶增强橡胶密封复合材料的研究[D];沈阳工业大学;2007年
9 王海涛;甲烷部分氧化制合成气中等离子体对催化剂的改性研究[D];天津大学;2004年
10 李龙川;纯镁表面改性与生物相容性的研究[D];重庆大学;2004年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978