三聚氰胺基复合气凝胶制备与性能研究

发布时间：2017-12-23 20:42

本文关键词：三聚氰胺基复合气凝胶制备与性能研究　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：气凝胶是一种新型的纳米多孔材料,具有密度低、孔隙率高、比表面积大、表面化学性质可调等许多优良的物理化学性能,可用作吸附材料、超级电容器材料、承重材料、保温隔热材料及惯性约束聚变(the Inertial Confinement Fusion,ICF)靶丸材料等,具有广泛应用前景。气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶等。三聚氰胺甲醛(Melamine Formaldehyde,MF)气凝胶属于有机气凝胶,具有化学结构稳定、机械力学强度较高、反应单体官能度高、不易发生氧化反应而变色等优势。但同时由于MF溶胶-凝胶过程属于小分子反应体系,导致传统方法制备的MF气凝胶凝胶化时间长,所得气凝胶密度偏大,机械强度高而韧性差,不利于成型加工。近几年国内外对于MF气凝胶的研究进展缓慢,本论文通过在MF体系中引入淀粉、壳聚糖及石墨烯等制备高分子基改性的MF复合气凝胶,并对其制备工艺、改性机理与结构进行研究。首先,在MF体系中引入淀粉,制备得到淀粉/MF复合气凝胶,考察了反应物浓度、反应物配比、体系pH值、反应温度等参数对复合体系溶胶-凝胶过程、气凝胶微观形貌、理化特性等的影响,结果表明,淀粉在复合体系中以物理交联的方式与MF形成互穿三维网状多孔结构,复合体系中引入5 wt%淀粉时,凝胶化时间缩短至7 h,且能够降低凝胶在溶剂交换与超临界干燥过程中的体积收缩(最低收缩为0.35%),最终制得密度为38 mg/cm~3的复合气凝胶。与纯MF气凝胶相比,该复合气凝胶的孔径分布更加均匀,机械韧性得到明显改善,压缩形变可达79%。为进一步缩短凝胶化时间并增强凝胶网络结构,在MF体系中引入具有活性氨基的壳聚糖大分子,制备出密度低于10 mg/cm~3具有化学交联作用的互穿网络结构的壳聚糖/MF复合气凝胶。探讨了反应物浓度、反应物配比、体系pH值、反应温度等对溶胶-凝胶过程及气凝胶微观形貌与结构的影响规律。研究发现,当引入10 wt%的壳聚糖时,所得气凝胶的综合性能最好,凝胶时间可缩短至10 min,最低收缩率仅3.5%,比表面积高达392.2 m~2/g。与淀粉/MF气凝胶相比,反应物配比在较大范围内变化,均可获得机械韧性优良的壳聚糖/MF复合气凝胶。为了使气凝胶在保持优良机械韧性的同时具有更高的杨氏模量,考虑到石墨烯具有优异的力学性能,在MF/壳聚糖体系基础上进一步加入石墨烯,制备出壳聚糖/石墨烯/MF三元体系新型复合气凝胶。研究了石墨烯加入量对体系凝胶化时间、微观形貌、比表面积及机械性能的影响。石墨烯中含有大量活性官能团,可进一步加强复合体系中的化学交联作用,在保持低体积收缩率的同时进一步缩短凝胶化时间。石墨烯具有优异的力学性能,其杨氏模量约为1 TPa。因此,在壳聚糖/MF体系中引入石墨烯能有效提高气凝胶的杨氏模量。研究结果表明,该三元复合气凝胶具有良好机械韧性的同时,其杨氏模量较之壳聚糖/MF二元复合气凝胶得到进一步的提高。这种方法为制备综合性能优良的MF复合气凝胶提供了新的可能性。此外,将该三元复合气凝胶进行高温碳化处理,成功制得相应的碳气凝胶。研究表明,相应的碳气凝胶材料具有优良的电化学性能和吸附性能。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O648.17

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