三聚氰胺基復合氣凝膠制備與性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、氣凝膠是一種新型的納米多孔材料,具有密度低、孔隙率高、比表面積大、表面化學性質可調等許多優(yōu)良的物理化學性能,可用作吸附材料、超級電容器材料、承重材料、保溫隔熱材料及慣性約束聚變(the Inertial Confinement Fusion,ICF)靶丸材料等,具有廣泛應用前景。氣凝膠主要包括無機氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠等。三聚氰胺甲醛(Melamine Formaldehyde,MF)氣凝膠屬于有機氣凝膠,具有化學結構穩(wěn)定、機械力

2、學強度較高、反應單體官能度高、不易發(fā)生氧化反應而變色等優(yōu)勢。但同時由于MF溶膠-凝膠過程屬于小分子反應體系,導致傳統方法制備的MF氣凝膠凝膠化時間長,所得氣凝膠密度偏大,機械強度高而韌性差,不利于成型加工。近幾年國內外對于MF氣凝膠的研究進展緩慢,本論文通過在MF體系中引入淀粉、殼聚糖及石墨烯等制備高分子基改性的MF復合氣凝膠,并對其制備工藝、改性機理與結構進行研究。
  首先,在MF體系中引入淀粉,制備得到淀粉/MF復合氣凝膠,

3、考察了反應物濃度、反應物配比、體系pH值、反應溫度等參數對復合體系溶膠-凝膠過程、氣凝膠微觀形貌、理化特性等的影響,結果表明,淀粉在復合體系中以物理交聯的方式與MF形成互穿三維網狀多孔結構,復合體系中引入5wt%淀粉時,凝膠化時間縮短至7h,且能夠降低凝膠在溶劑交換與超臨界干燥過程中的體積收縮(最低收縮為0.35%),最終制得密度為38 mg/cm3的復合氣凝膠。與純MF氣凝膠相比,該復合氣凝膠的孔徑分布更加均勻,機械韌性得到明顯改善,

4、壓縮形變可達79%。
  為進一步縮短凝膠化時間并增強凝膠網絡結構,在MF體系中引入具有活性氨基的殼聚糖大分子,制備出密度低于10 mg/cm3具有化學交聯作用的互穿網絡結構的殼聚糖/MF復合氣凝膠。探討了反應物濃度、反應物配比、體系pH值、反應溫度等對溶膠-凝膠過程及氣凝膠微觀形貌與結構的影響規(guī)律。研究發(fā)現,當引入10 wt%的殼聚糖時,所得氣凝膠的綜合性能最好,凝膠時間可縮短至10 min,最低收縮率僅3.5%,比表面積高達3

5、92.2 m2/g。與淀粉/MF氣凝膠相比,反應物配比在較大范圍內變化,均可獲得機械韌性優(yōu)良的殼聚糖/MF復合氣凝膠。
  為了使氣凝膠在保持優(yōu)良機械韌性的同時具有更高的楊氏模量,考慮到石墨烯具有優(yōu)異的力學性能,在MF/殼聚糖體系基礎上進一步加入石墨烯,制備出殼聚糖/石墨烯/MF三元體系新型復合氣凝膠。研究了石墨烯加入量對體系凝膠化時間、微觀形貌、比表面積及機械性能的影響。石墨烯中含有大量活性官能團,可進一步加強復合體系中的化學交

6、聯作用,在保持低體積收縮率的同時進一步縮短凝膠化時間。石墨烯具有優(yōu)異的力學性能,其楊氏模量約為1TPa。因此,在殼聚糖/MF體系中引入石墨烯能有效提高氣凝膠的楊氏模量。研究結果表明,該三元復合氣凝膠具有良好機械韌性的同時,其楊氏模量較之殼聚糖/MF二元復合氣凝膠得到進一步的提高。這種方法為制備綜合性能優(yōu)良的MF復合氣凝膠提供了新的可能性。此外,將該三元復合氣凝膠進行高溫碳化處理,成功制得相應的碳氣凝膠。研究表明,相應的碳氣凝膠材料具有優(yōu)

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