等离子体制备与改性碳材料

发布时间：2020-01-21 20:51

【摘要】：近几十年来,等离子体法制备和改性纳米碳材料在科学研究和工业应用上都获得了大量的关注,等离子体过程中得到的碳材料具有较高的石墨化程度和优异的导电性能,能够被应用在多种领域,其工艺流程也具有光明的应用前景。本论文的主要内容包括两部分:等离子体法制备和改性纳米碳材料。主要利用透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、元素分析仪和比表面积测试仪等对纳米碳材料的形貌、结构和含量等进行了表征。在制备碳材料方面:(1)通过单组交流放电电弧等离子体法裂解丙烷制备结构可控的纳米碳材料,采用了交流放电法和流化床技术相结合的工艺。分别考察了不同电极材料、放电频率、氩气和丙烷的流量,以及电加热辅助裂解的温度等因素,确定最优化条件以得到高产率和优异结构的炭黑。在流化床中加入电加热辅助后发现热裂解加强了等离子体裂解的效果并对生成炭黑的机理进行了分析。(2)通过双组交、直流组合放电等离子体对丙烷进行裂解来制备纳米碳材料。将交流和直流电弧放电等离子体首次结合到一起,分别考察了交流和直流部分的电极材料,交流部分的放电频率,直流部分的放电电流和丙烷与氩气的流量对产物炭黑的形貌、组成和结构的影响。发现最优化条件下制备得到的炭黑的吸附重金属离子能力较强,添加到工程塑料后的复合物的电学性能和机械性能都有很大的提高。在改性碳材料方面:(1)通过交流电弧放电等离子体结合流化床反应装置来改性纳米碳材料,使用空气和氮气作为等离子体发生气体,考察了交流电弧放电的电功率和改性时间两大因素。空气等离子体改性后的炭黑和碳纳米管具有较高的比表面积和较强的亲水性,氮气等离子体改性后的碳纳米管在形貌和结构上有着显著的区别。(2)通过介质阻挡放电等离子体结合下行床装置来改性纳米炭黑,使用空气作为等离子体发生气体。考察了介质阻挡放电的电压对炭黑形貌和结构的影响,高电压改性的条件下,炭黑表面的氧元素和氮元素含量有所增加,亲水性和分散有所提升;使用氮气和氩气等离子体改性碳纳米管,分别考察了改性电压和改性次数对碳纳米管的影响。氮气等离子体改性增加碳纳米管表面的含氮官能团,在改性中发现了生长成“竹节状”碳纳米管的结构;使用氩气等离子体改性,实现对碳纳米管表面的清洁作用,并没有破坏其内部结构。碳纳米管的比表面积和表面粗糙度增大,促进了其对水中重金属离子的吸附作用。
【图文】：

法炭黑在制备的过程中，能耗高、污染重的缺点限制了其未来的发展，因此我们也急需开拓炭黑生产的新工艺。图1.1 炉法制备炭黑的原理图[20]。Fig. 1.1 The schematic for the preparation of carbon black by furnace method[20].（2）灯烟法灯烟法也是制备炭黑的一种传统工艺手段，该方法与炉法的工艺过程有相似之处。但在灯烟法制备炭黑的装置中，其反应炉的上方不封口，炉后的排风机将空气抽入炉中进行反应。将芳烃类的原料油从反应炉的上方缓慢加入，原料油的一部分会与空气中的氧气充分燃烧，在炉中产生较高温度，剩余的原料油通过裂解来生成炭黑。利用灯烟法制备得到的炭黑一般使用在涂料、油漆和墨水等材料中，作为它们的着色剂和染色剂。因为该方法制备得到的炭黑粒径较大，团聚现象明显，如果添加到橡胶制品中，分散性能较差，无法大幅提高橡胶的补强性能[22]。（

的制备炭黑方法，由于反应得的炭黑颗粒粒径较大、团炭黑添加到橡胶材料中，橡胶弹性却得到显著增加，可以产物炭黑有极高的黑度，可以法相似，但主要原料是乙炔空气进行混合，，随后混合气达到设定后不再通入氧气。乙黑。乙炔法制备所得的炭黑用在抗静电产品领域或者导在干电池的生产中。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11


本文编号：2571718