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纳米基碳粉电荷调节剂的制备、界面机制和带电性能研究

倪伟双  
【摘要】:本论文应用硅烷偶联剂(KH570)对纳米TiO_2、SiO_2进行表面有机改性,并运用FT-IR、XPS、TEM、TGA、比表面积、接触角等分析手段深入研究了改性纳米TiO_2、改性纳米SiO_2的微观结构、分散性、润湿性和包覆量;分别研究了含改性纳米TiO_2、改性纳米SiO_2电荷调节剂的复合材料(也称为改性碳粉)的性能,采用SEM、接触角和带电量测试等分析手段,深入研究改性碳粉的界面机制、表面润湿性和带电规律。 (1)研究不同温度和不同KH570的量的条件下制备的改性纳米TiO_2和纳米SiO_2的性能。FT-IR和XPS分析手段都证明KH570成功地接枝在纳米TiO_2和SiO_2的表面上。改性纳米TiO_2在40℃和50℃条件下都能形成壳-核的微观结构,包覆量的厚度能够用TEM直接观察到,但是包覆量的厚度大小不一,这主要是由纳米TiO_2颗粒的不规则造成的。改性后的纳米TiO_2和纳米SiO_2的分散性都极大提高,团聚明显下降。 (2)当KH570/TiO_2的重量比为120wt.%,反应温度为40℃时,制备的改性纳米TiO_2的包覆量达到最大,为6.23wt.%;当KH570/TiO_2的重量比继续增大时,包覆量下降。改性纳米TiO_2与水的接触角,在KH570/TiO_2的重量比小于120wt.%时,随KH570的量增加而升高,继续增大KH570的量时,接触角曲线趋于平缓。比表面积随着包覆量的增大而下降。在40℃下制备的改性纳米SiO_2,当KH570/SiO_2的重量比大于15wt.%时,包覆量曲线趋于平缓。 (3)在反应温度为50℃条件下制备的改性纳米TiO_2,当包覆量小于3.37wt.%时,KH570与TiO_2之间通过单层吸附形式包覆在TiO_2表面;当包覆量大于3.37wt.%时,吸附方式由单层吸附转变为多层吸附。在单层吸附阶段,比表面积和接触角曲线都上升,在多层吸附阶段,接触角曲线趋于平缓,表面积下降。 (4)碳粉/纳米TiO_2复合材料和碳粉/纳米SiO_2复合材料的表面接触角都随着包覆量的增大而先下降后升高,当改性纳米TiO_2的质量分数增大到0.8%时,碳粉的接触角下降到138.7±0.4°,继续增大改性纳米TiO_2的量,则接触角可增大到147.7±0.6°。这种现象可用双层吸附模型来解释;改性纳米TiO_2和改性纳米SiO_2都对碳粉的表面形貌有一定的影响;改性碳粉的带电量与TiO_2或SiO_2表面的OH-数目有关,Q/M值随着包覆量的增大而向负电荷方向移动,随着添加的改性纳米TiO_2量的增大而向正电荷方向移动,当改性纳米TiO_2的质量分数从0增大到2.0%时,改性碳粉的Q/M值从-24.43μC/g变化到-5.33μC/g,这主要是在改性碳粉和载体(Fe_3O_4)摩擦时,OH-,也就是负电荷,从碳粉的表面转移到载体的表面上来。


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