【摘要】：近幾十年來,等離子體法制備和改性納米碳材料在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用上都獲得了大量的關(guān)注,等離子體過程中得到的碳材料具有較高的石墨化程度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能,能夠被應(yīng)用在多種領(lǐng)域,其工藝流程也具有光明的應(yīng)用前景。本論文的主要內(nèi)容包括兩部分:等離子體法制備和改性納米碳材料。主要利用透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、元素分析儀和比表面積測試儀等對納米碳材料的形貌、結(jié)構(gòu)和含量等進(jìn)行了表征。在制備碳材料方面:(1)通過單組交流放電電弧等離子體法裂解丙烷制備結(jié)構(gòu)可控的納米碳材料,采用了交流放電法和流化床技術(shù)相結(jié)合的工藝。分別考察了不同電極材料、放電頻率、氬氣和丙烷的流量,以及電加熱輔助裂解的溫度等因素,確定最優(yōu)化條件以得到高產(chǎn)率和優(yōu)異結(jié)構(gòu)的炭黑。在流化床中加入電加熱輔助后發(fā)現(xiàn)熱裂解加強(qiáng)了等離子體裂解的效果并對生成炭黑的機(jī)理進(jìn)行了分析。(2)通過雙組交、直流組合放電等離子體對丙烷進(jìn)行裂解來制備納米碳材料。將交流和直流電弧放電等離子體首次結(jié)合到一起,分別考察了交流和直流部分的電極材料,交流部分的放電頻率,直流部分的放電電流和丙烷與氬氣的流量對產(chǎn)物炭黑的形貌、組成和結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化條件下制備得到的炭黑的吸附重金屬離子能力較強(qiáng),添加到工程塑料后的復(fù)合物的電學(xué)性能和機(jī)械性能都有很大的提高。在改性碳材料方面:(1)通過交流電弧放電等離子體結(jié)合流化床反應(yīng)裝置來改性納米碳材料,使用空氣和氮?dú)庾鳛榈入x子體發(fā)生氣體,考察了交流電弧放電的電功率和改性時(shí)間兩大因素�？諝獾入x子體改性后的炭黑和碳納米管具有較高的比表面積和較強(qiáng)的親水性,氮?dú)獾入x子體改性后的碳納米管在形貌和結(jié)構(gòu)上有著顯著的區(qū)別。(2)通過介質(zhì)阻擋放電等離子體結(jié)合下行床裝置來改性納米炭黑,使用空氣作為等離子體發(fā)生氣體。考察了介質(zhì)阻擋放電的電壓對炭黑形貌和結(jié)構(gòu)的影響,高電壓改性的條件下,炭黑表面的氧元素和氮元素含量有所增加,親水性和分散有所提升;使用氮?dú)夂蜌鍤獾入x子體改性碳納米管,分別考察了改性電壓和改性次數(shù)對碳納米管的影響。氮?dú)獾入x子體改性增加碳納米管表面的含氮官能團(tuán),在改性中發(fā)現(xiàn)了生長成“竹節(jié)狀”碳納米管的結(jié)構(gòu);使用氬氣等離子體改性,實(shí)現(xiàn)對碳納米管表面的清潔作用,并沒有破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。碳納米管的比表面積和表面粗糙度增大,促進(jìn)了其對水中重金屬離子的吸附作用。
【圖文】：

法炭黑在制備的過程中，能耗高、污染重的缺點(diǎn)限制了其未來的發(fā)展，因此我們也急需開拓炭黑生產(chǎn)的新工藝。圖1.1 爐法制備炭黑的原理圖[20]。Fig. 1.1 The schematic for the preparation of carbon black by furnace method[20].（2）燈煙法燈煙法也是制備炭黑的一種傳統(tǒng)工藝手段，該方法與爐法的工藝過程有相似之處。但在燈煙法制備炭黑的裝置中，其反應(yīng)爐的上方不封口，爐后的排風(fēng)機(jī)將空氣抽入爐中進(jìn)行反應(yīng)。將芳烴類的原料油從反應(yīng)爐的上方緩慢加入，原料油的一部分會與空氣中的氧氣充分燃燒，在爐中產(chǎn)生較高溫度，剩余的原料油通過裂解來生成炭黑。利用燈煙法制備得到的炭黑一般使用在涂料、油漆和墨水等材料中，作為它們的著色劑和染色劑。因?yàn)樵摲椒ㄖ苽涞玫降奶亢诹捷^大，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，如果添加到橡膠制品中，分散性能較差，無法大幅提高橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能[22]。（

的制備炭黑方法，由于反應(yīng)得的炭黑顆粒粒徑較大、團(tuán)炭黑添加到橡膠材料中，橡膠彈性卻得到顯著增加，可以產(chǎn)物炭黑有極高的黑度，可以法相似，但主要原料是乙炔空氣進(jìn)行混合，，隨后混合氣達(dá)到設(shè)定后不再通入氧氣。乙黑。乙炔法制備所得的炭黑用在抗靜電產(chǎn)品領(lǐng)域或者導(dǎo)在干電池的生產(chǎn)中。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11


本文編號：2571718