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纤维素微球及氧化石墨的辐射功能化改性研究

张有为  
【摘要】:纤维素是地球上最丰富的可再生资源,具有价廉、可降解性、易化学改性和对生态环境无污染等优点。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成二维蜂窝状六角晶格的平面薄膜,拥有巨大的比表面积、优异的导电性、热稳定性和机械性能。通过电离辐射技术对纤维素及氧化石墨进行功能化改性可望赋予它们新的功能、进一步拓展它们的应用领域,因此有必要系统开展纤维素及氧化石墨的辐射功能化改性研究。本论文第一部分将介绍辐射法制备纤维素微球基吸附材料并研究该材料对Cr(VI)的吸附性能,利用辐射技术在纤维素微球接枝苯乙烯和4-乙烯基吡啶;系统研究了不同单体在纤维素微球上的接枝行为及机理,以及合成的吸附剂对Cr(VI)吸附性能。第二部分介绍了氧化石墨的化学还原改性和辐射还原改性,系统研究了改性后石墨烯的结构和还原机理,并研究了还原改性石墨烯在金属离子吸附及导电材料方面的应用。 在论文第一章中,首先介绍了纤维素的结构、分类及改性方法;简述了石墨烯的结构、性质和制备方法。对纤维素的辐射接枝改性和氧化石墨改性的研究现状进行了详细的综述。基于研究背景和文献综述,提出了本论文的研究意义、研究内容以及研究目标。 在论文的第二章中和第三章中,利用γ射线辐射技术分别将苯乙烯和4-乙烯基吡啶两种单体接枝到纤维素微球表面,随后通过化学修饰制备出含有铵盐基团的阴离子交换吸附剂;系统研究了剂量、剂量率、溶剂组成以及单体浓度等条件对接枝率的影响,并通过傅立叶变换红外光谱、元素分析、热失重、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜等表征手段分析了各步反应产物;系统研究了两种吸附剂在不同条件下(如溶液pH、吸附剂用量、Cr(VI)浓度、NaCl浓度等)对Cr(VI)的吸附行为和吸附机理。结果表明通过γ射线共辐射合成的阴离子吸附剂具有合成简单、高酸度下吸附能力强、离子选择性高等优点,在处理工业含Cr(VI)废水方面具有广阔的应用前景。 论文的第四章中,在N, N-二甲基甲酰胺溶剂中用乙二胺对氧化石墨进行了同步还原和功能化修饰;通过红外光谱、热失重分析、固体核磁、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜等表征技术对制备得到的胺基化石墨烯(ED-DMF-RGO)进行分析;研究了ED-DMF-RGO在不同吸附条件下对Cr(VI)的吸附行为。ED-DMF-RGO具有优异的Cr(VI)移除能力,是商用活性炭的27倍,在吸附过程中ED-DMF-RGO同时将Cr(VI)还原为低毒的Cr(III),还原的电子来源于ED-DMF-RGO的π电子。 论文的第五章利用γ射线辐射的方法还原N, N-二甲基甲酰胺溶剂中的氧化石墨烯,制备出性能优异的石墨烯纳米片;通过红外光谱、热失重分析、紫外可见光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜等表征技术对制备得到的石墨烯进行分析。研究发现,溶剂N, N-二甲基甲酰胺在辐照过程中产生还原性的溶剂化电子可以还原氧化石墨;此外N, N-二甲基甲酰胺辐解生成的N(CH3)2+通过静电作用吸附到石墨烯表面,因此石墨烯纳米片可以分散在多种有机溶剂和聚合物基材中。将石墨烯与聚苯乙烯复合制备得到的纳米复合材料呈现出优异的导电性能;其电导率高达45S/m。导电逾渗阈值低达0.24vol.%,达到高导电塑料的标准,建立了一种简便、高收率、低成本宏量制备石墨烯的新方法。 论文的第六章总结了本论文的主要结论及创新点。


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