脲醛树脂微球的制备、形貌粒径的控制及其在超级电容器中的应用

发布时间：2018-06-11 14:41

  本文选题：脲醛树脂微球 + 热分解动力学　； 参考：《北京化工大学》2017年博士论文

【摘要】：脲醛树脂微球因为其良好的机械性能、丰富的表面官能团以及丰富的氮元素,广泛应用于色谱柱填料、催化剂载体、复合微球的模板剂、碳材料前驱体等领域,引起了研究者们的广泛关注。到目前为止,脲醛树脂微球的研究主要集中于其应用,很少有人关注尿素甲醛反应本身的特质,去设计合成粒径可控、形貌特殊的脲醛树脂微球。本文从甲醛尿素的反应原理出发,研究了 pH值、表面活性剂的加入、无机盐的加入对脲醛树脂微球形貌、粒径的影响。采用SEM、沉淀时间等表征手段详细研究了反应条件对脲醛树脂微球的影响。结果表明,体系的pH值是控制甲醛尿素反应速率的关键,沉淀时间随着体系pH值的增大而增大,脲醛树脂微球形貌随着pH值的增大变粗糙,通过控制体系的pH值可以控制脲醛树脂微球的形貌;HEC可以改善脲醛树脂微球的形貌;无机盐可以使得脲醛树脂微球的粒径急剧减小,且表面粗糙度降低。当体系中加入7 g硫酸铵,0.3 gHEC时,可以得到粒径约为300 nn的亚微米级脲醛树脂微球。pH为4时,使用O.1gHEC作为表面活性剂,可以得到形貌奇特、结构规整的金盏花状脲醛树脂微球。用SEM跟踪、XRD、FTIR等表征方法来研究花状微球的成球机制。结果表明,形成花状微球的原因为较高的pH值(pH = 4),即较慢的反应速度为脲醛树脂低聚物的结晶行为及自组装行为提供有利的环境。其次,采用热失重法研究了三种典型的脲醛树脂微球(普通脲醛树脂微球normal UFMs、亚微米级脲醛树脂微球submicro-size UFMs、花状脲醛树脂微球flower-like UFMs)的热分解动力学。用TGA表征了三种典型的脲醛树脂微球的热失重过程,在四个升温速率下测试,进而使用FR法、FWO法、KAS法以及AICM法计算出三种微球的热分解活化能随转化率的变化关系。结果表明:(1 )normal UFMs、submicro-size UFMs、flower-like UFMs的热失重均可以分为三阶段。第一阶段为150 ℃以下水、单体小分子的脱除阶段、第二段为150-400 ℃为最主要失重段,第三段为高于400℃缓慢失重段。在快速失重段,normal UFMs的热分解活化能先减小后增大;submicro-size UFMs的热分解活化能经历两个过程,均为先增大后减小的过程;flower-like UFMs的热分解活化能先减小后增大。这三种脲醛树脂微球的分解规律相似。(2) submicro-size UFMs的热分解活化能最低,normal UFMs的热分解活化能随着转化率的增加,先低于flower-like UFMs的热分解活化能后高于flower-like UFMs的热分解活化能。(3)对比三种典型脲醛树脂的热分解动力学、红外结果,submicro-size UFMs的固化程度最高,结晶性最差。Flower-like UFMs的固化程度最低,结晶性最好。最后,将亚微米级脲醛树脂微球和花状脲醛树脂微球作为前驱体来制备碳材料。利用KOH活化的方法分别制得了氮掺杂多孔碳材料(NPCs和多级孔结构的碳材料(HPCs)。采用SEM、Raman、N2吸附脱附测试、XPS研究了碱炭比对NPCs及HPCs结构的影响。采用循环伏安曲线测试、恒流充放电曲线测试、交流阻抗测试研究了碱炭比对NPCs和HPCs电化学性能的影响。结果表明,(1)NPCs、HPCs的比表面积、总孔体积均随着KOH的用量的改变而改变,碱炭比为2的NPCs比表面积最大(3386 m2·g-1),总孔体积为1.967 cm3·g-1。碱炭比为2的HPCs比表面积最大,为3223 m2·g-1,总孔体积为1.92cm3·g-1。(2)增加KOH的用量会降低NPCs和HPCs表面氮元素的含量。(3)碱炭比为1.5的NPCs具有及其优异的电化学性能。1M稀硫酸电解液中,0.5A·g-1的电流密度下比容量高达为343 F·g-1,同时NPCs具有优异的倍率性能,在30 A·g-1的电流密度下,仍能够保持68%。5000次长循环后容量无衰减;碱炭比为2的HPCs拥有优异的电化学性能,1M稀硫酸电解液中,0.5A·g-1的电流密度下比容量为288 F·g-1。倍率性能优异,在30A·g-1的电流密度下,仍能够保持71%。5000次长循环后容量无衰减。
[Abstract]:The effects of reaction conditions on the morphology and particle size of urea - formaldehyde resin microspheres were studied by means of SEM , XRD and FTIR . The thermal decomposition activation energy of the three kinds of urea - formaldehyde resin microspheres was first decreased and the second segment was 150 - 400 鈩，

本文编号：2005624