新型膨胀石墨基功能材料的制备及结构与性能研究

论文摘要

膨胀石墨（Expanded Graphite,简称EG）是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑、无毒等优良性能以外,还具有天然石墨所没有的柔软、可挠性、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。上世纪70年代,EG首先被压制成耐高温或防腐蚀介质的密封材料,后来人们发现EG在许多领域具有实际的和潜在的应用前景,如可作为各种弥散物质的载体,及被用在导电、润滑、储氢、吸附、电磁屏蔽、振动阻尼、绝热、电化学、应力传感器材料等。为进一步开发EG的应用领域,本文制备了三种新型膨胀石墨基功能材料,其中包括在EG中负载光催化剂ZnO,获得EG/ZnO复合材料;对EG其进行超生波振荡,得到纳米石墨片;对EG进行机械球磨,获得碳纳米结构材料。表征了这些材料的结构,并研究了EG/ZnO的吸附与降解性能,纳米石墨片及碳纳米结构材料作为润滑油添加剂的摩擦性能。主要的研究工作及结果如下:（1）分别加热醋酸锌和水洗后的可膨胀石墨、醋酸锌和水洗并干燥后的可膨胀石墨、醋酸锌和EG的混合物,制备了三种EG/ZnO复合材料（分别记为EG/ZnO-1,EG/ZnO-2和EG/ZnO-3）,该材料同时具有EG的吸附能力和ZnO的降解能力。表征了EG/ZnO的结构,并研究了它们对水面原油及水中甲基橙的吸附与降解性能。结果显示:ZnO的负载方法对其在EG中的分布、EG/ZnO的结构以及对水面原油和水中甲基橙的吸附与降解性能具有显著影响。比较而言,EG/ZnO-3对甲基橙的综合去除效率最高,UV照射下2 h可将水中甲基橙完全去除,而对原油的吸附能力仅为26 g/g,低于EG/ZnO-1和EG/ZnO-2的50 g/g。与纯EG相比, UV照射下吸附在EG/ZnO-1和EG/ZnO-2中原油的降解速度均较高,其中,EG/ZnO-2中原油的降解速度最高。（2）分别对天然石墨、可膨胀石墨、EG进行插层-膨化,得到三种EG（分别计为EG1、EG2和EG3）,并对其进行超声波振荡制备了三种纳米石墨片（分别记为GN1、GN2和GN3）。表征了相应产物的结构,并研究了纳米石墨片作为润滑油添加剂的摩擦性能。结果显示:与EG1相比,EG2蠕虫状颗粒上的网络孔发育更加完善,而EG3颗粒上散布着许多弯曲的微米级石墨片,其中有些形成多层筒状结构。超声波振荡EG1、EG2和EG3制备的纳米石墨片GN1、GN2和GN3的平均粒径和厚度分别为16μm和25 nm,10μm和11 nm,8μm和4.5 nm。说明对可膨胀石墨和EG进行二次插层均可有效地降低纳米石墨片的尺寸,其中对EG进行二次插层的效果尤为明显。三种纳米石墨片作为润滑油添加剂均具有减摩作用,其中GN2的减摩效果最佳,而GN1和GN3的减摩效果相差不大。（3）将可膨胀石墨分别在600、800和1000℃加热,制备了三种EG（分别计为EG600、EG800和EG1000）,并对EG（或其与Fe或Ni的混合物）进行机械球磨,制备碳纳米结构材料。表征了球磨产物的纳米结构,并研究了球磨产物作为润滑油添加剂的摩擦性能。结果显示与天然石墨相比,在球磨期间EG1000和EG600沿c轴方向微晶尺寸的下降程度要小得多,其中EG1000微晶尺寸的下降程度最小。在球磨EG1000中可看到大量的石墨面内缺陷,这在大多数球磨天然石墨中很少观察到。球磨EG作为润滑油添加剂具有减摩作用,且减摩效果好于天然石磨和未球磨石墨。（4）通过球磨EG/金属（Fe或Ni）发现:提高可膨胀石墨的加热温度加速了EG/金属体系在球磨期间的非晶化过程。对于EG1000/金属混合物,球磨可生成无定形EG/金属体系及金属碳化物。金属的添加可抑制EG600在球磨期间的非晶化过程,但加速了EG1000的这一过程。退火可提高球磨EG600的结晶度,且Ni的添加有助于这一过程。球磨EG部分地保持了原始EG的孔状结构,但球磨时添加Ni使EG原始孔状结构消失。球磨EG/Ni混合物作为润滑油添加具有减摩作用,且减摩效果与球磨EG的结晶度有关,提高结晶度可使减摩效果提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 EG 的制备
• 1.2 EG 的多孔结构
• 1.3 EG 的应用
• 1.3.1 新型高级密封材料
• 1.3.2 绝热阻燃材料
• 1.3.3 新型导电材料
• 1.3.4 吸附材料
• 1.3.5 润滑材料
• 1.3.6 发热材料
• 1.4 EG 复合材料
• 1.4.1 EG/光催化剂复合材料
• 1.4.2 EG 基低密度炭/炭复合材料
• 1.4.3 EG/聚合物复合材料
• 1.5 纳米石墨片的制备
• 1.5.1 爆炸法
• 1.5.2 超声波法
• 1.5.3 脉冲激光液相沉积法
• 1.5.4 电化学法
• 1.5.5 机械球磨法
• 1.6 球磨制备碳纳米结构材料
• 1.7 本文的选题背景及研究内容
• 第2章 实验方法与设计
• 2.1 样品的制备
• 2.1.1 EG 的制备
• 2.1.1.1 对天然石墨插层制备EG
• 2.1.1.2 对可膨胀石墨插层制备EG
• 2.1.1.3 对EG 插层制备EG
• 2.1.2 纳米石墨片的制备
• 2.1.3 EG/ZnO 的制备
• 2.1.4 球磨EG 样品的制备
• 2.2 样品表征方法
• 2.3 样品性能测试
• 2.3.1 EG/ZnO 对水面原油的吸附与降解性能
• 2.3.2 EG/ZnO 对水中甲基橙的吸附与降解性能
• 2.3.3 摩擦性能测试
• 2.4 本章小结
• 第3章 膨胀石墨/ZnO 复合材料的制备及其吸附与降解性能
• 3.1 EG/ZnO 复合材料的结构表征
• 3.1.1 SEM 分析
• 3.1.2 结构参数分析
• 3.2 EG/ZnO 复合材料的吸附与降解性能
• 3.2.1 三种EG/ZnO 的吸附与降解性能对比
• 3.2.2 EG/ZnO 对甲基橙的吸附与降解性能
• 3.2.3 EG/ZnO 对吸附原油的降解性能
• 3.2.3.1 吸附与降解过程
• 3.2.3.2 红外光谱分析
• 3.2.3.3 紫外-可见吸收光谱分析
• 3.2.3.4 荧光光谱分析
• 3.2.3.5 油失重分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 纳米石墨片的制备及其结构与摩擦性能
• 4.1 纳米石墨片的制备与结构表征
• 4.1.1 GN1 的制备及结构表征
• 4.1.2 GN2 的制备及结构表征
• 4.1.3 GN3 的制备及结构表征
• 4.2 纳米石墨片的摩擦性能
• 4.3 本章小结
• 第5章 球磨膨胀石墨的结构及摩擦性能
• 5.1 球磨 EG 的结构表征
• 5.1.1 XRD 分析
• 5.1.2 HRTEM 分析
• 5.1.3 SEM 分析
• 5.2 球磨 EG 的摩擦性能
• 5.3 本章小结
• 第6章 球磨膨胀石墨/金属的结构及摩擦性能
• 6.1 球磨EG/Fe的结构表征
• 6.1.1 XRD 分析
• 6.1.2 HRTEM 分析
• 6.2 球磨 EG/Ni 的结构表征
• 6.2.1 XRD 分析
• 6.2.2 TEM 分析
• 6.2.3 拉曼分析
• 6.3 球磨并退火EG/Ni 的结构表征
• 6.3.1 XRD 分析
• 6.3.2 拉曼分析
• 6.3.3 SEM 分析
• 6.3.4 TEM 分析
• 6.4 球磨EG/Ni 的摩擦性能
• 6.5 本章小结
• 结论
• 本文主要创新点
• 参考文献
• 攻读博士期间承担的科研任务及主要成果
• 致谢
• 作者简介