热解炭黑的表面特性及其资源化应用研究

论文摘要

随着聚合物工业的日益发展,如何消除废旧高聚物污染,进行资源的回收利用,对于实现工业生态化和循环经济具有十分重要的意义。废轮胎是废旧高聚物的最大来源之一,它的资源化利用越来越受到世界各国的关注。 热解炭黑是废轮胎热解回收工艺中最关键的产物之一,它的应用价值很大程度上决定了热解过程的经济性。如何更多地发现热解炭黑的性质,提高其应用价值,是目前废轮胎热解研究的一项重要内容。本论文采用多种表征手段,研究了热解炭黑的表面特性,在此基础上初步形成了热解炭黑表面微化学环境设计和资源化利用的方法,主要开展了以下几个方面的工作: 1.较完整地表征了热解炭黑的表面特性。通过常规的工业分析方法发现热解炭黑的无机灰分和挥发份含量很高,酸洗可以降低热解炭黑的灰分。热解炭黑的表面缺陷浓度高于石墨和N880。 采用X射线光电子能谱（XPS）技术分析了不同条件下热解炭黑样品、N375补强炭黑和色素炭黑的表面元素组成及元素的结合状态,发现工业炭黑的表面具有C-OH、C=O和COOH等含氧基团,而热解炭黑的表面存在较多低极性的酯基和短链烃接枝。 利用原子力显微镜（AFM）技术研究了热解炭黑的表面微结构特征,发现热解炭黑的表面是由大量具有明显缺陷和扭曲的无定形结构和少量由规则六角环构成的石墨状微晶层面组成,这些层面互相交错并且内聚,热解过程中未被无机灰分和碳质沉积物覆盖的活性点可能就存在于这些层面的边缘,与Donnet J.B.对商用补强炭黑表面原子水平微结构研究结果一致,填补了国内外热解炭黑表面原子水平微结构研究的空白。 本论文认为热解炭黑具有“核壳结构”形态,内部主体结构基本等同于工业炭黑,由灰分和碳质沉积物等构成的非均质壳层覆盖了大多数的活性点,表面极性较低。 2.首次提出了热解炭黑表面微化学环境设计与调控的概念,并应用于废水处理剂、橡胶补强填料和平版油墨颜料三个产品的设计。即直接利用热解炭黑表面大量电负性较低的酯基和短链烃接枝,强化炭对含Cr（Ⅵ）废水处理的吸附—催化耦合过程;或者选择不同类型的钛酸酯偶联剂对热解炭黑进行表面微化学环境修饰,形成新的界面层,强化再生炭黑粒子分别与天然橡胶或平版油墨树脂间的结合力。 3.对再生炭黑在橡胶补强中的应用作了研究。分析了再生炭黑的粒度、结构和吸碘值,并与天然气半补强炭黑和N330补强炭黑进行了比较,预测再生炭黑可以作为橡胶工业的半补强填料。通过硫化曲线测定了混炼胶的工艺正硫化时

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 废轮胎的特点和现状
• 1.2 课题背景
• 1.3 本研究的主要工作
• 第二章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 废轮胎热解炭黑研究现状
• 2.2.1 废轮胎热解方法简介
• 2.2.2 影响热解炭黑性能的因素
• 2.2.3 热解炭黑的分析及表征
• 2.2.4 热解炭黑的应用
• 2.3 炭黑的性质
• 2.3.1 炭黑聚集体
• 2.3.2 炭黑的表面
• 2.4 炭黑的改性研究
• 2.4.1 接枝
• 2.4.2 氧化
• 2.4.3 卤化
• 2.5 炭黑在橡胶补强中的应用
• 2.5.1 炭黑性质对橡胶加工性能的影响
• 2.5.2 炭黑性质对硫化胶性能的影响
• 2.5.3 炭黑性质对硫化胶动态性能的影响
• 2.6 炭黑在油墨中的应用
• 2.6.1 油墨的分类及其主要成分
• 2.6.2 炭黑基本性质对油墨性能的影响
• 2.6.3 炭黑基本性质对其分散性的影响
• 2.7 炭在水处理中的应用
• 2.8 小结
• 第三章 废轮胎热解炭黑的回收
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置及试验方法
• 3.2.1 实验装置及流程
• 3.2.2 原料轮胎的元素组成
• 3.3 热解条件对热解产物收率的影响
• 3.3.1 热解终温对产品收率的影响
• 3.3.2 升温速率对热解产品收率的影响
• 3.4 热解炭黑的物理性能
• 3.4.1 热解炭黑的粒度分析
• 3.4.2 热解炭黑的结构性分析
• 3.4.3 热解炭黑液氮吸附特性分析
• 3.5 热解炭黑的基本化学性能
• 3.5.1 热解炭黑的工业分析
• 3.5.2 热解炭黑的整体元素分析
• 3.6 废轮胎热解炭黑的回收历程
• 3.7 小结
• 第四章 热解炭黑的表面微化学环境设计
• 4.1 引言
• 4.2 热解炭黑的表面缺陷浓度
• 4.3 热解炭黑的表面化学特性
• 4.3.1 X射线光电子能谱（XPX）
• 4.3.2 不同种类炭黑表面性能对比
• 4.3.2.1 表面元素组成
• lS峰分析'>4.3.2.2 C_lS峰分析
• lS峰分析'>4.3.2.3 O_lS峰分析
• 4.3.3 热解温度对热解炭黑表面性能的影响
• 4.3.3.1 不同温度条件下热解炭黑的全谱分析
• 4.3.3.2 热解温度对元素C组成及含量的影响
• 4.3.3.3 热解温度对元素O组成及含量的影响
• 4.3.3.4 热解温度对元素S和Zn组成及含量的影响
• 4.4 热解炭黑的表面微结构特性
• 4.4.1 原子力显微镜（AFM）
• 4.4.2 热解炭黑的表面形貌
• 4.5 热解炭黑的形态模型
• 4.6 热解炭黑表面微化学环境设计
• 4.6.1 热解炭黑表面低极性吸附相的生成
• 4.6.1.1 硝酸酸洗热解炭黑
• 4.6.1.2 热解炭黑表面化学基团Boehm滴定
• 4.6.1.3 钛酸酯 NDZ-105的表面修饰
• 4.6.1.4 再生炭黑对橡胶的补强机理
• 4.6.2 热解炭黑表面高极性吸附相的生成
• 4.6.3 催化及表面电离层消除
• 4.7 小结
• 第五章 再生炭黑在橡胶补强中的应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 再生炭黑补强物理性质
• 5.3 再生炭黑硫化胶的制备
• 5.3.1 混炼
• 5.3.2 混炼胶硫化曲线分析
• 5.3.3 硫化
• 5.4 固体高分辨核磁共振技术对再生炭黑补强硫化胶的性能研究
• 5.4.1 核磁共振的基本原理
• 5.4.2 固体高分辨核磁共振技术
• 5.4.3 驰豫
• 5.4.4 化学交联结构
• 5.4.5 偶极相关效应
• 5.4.6 自扩散
• 5.5 硫化胶静态机械性能
• 5.6 小结
• 第六章 再生炭黑在平版印刷油墨中的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 再生炭黑颜料物理性质
• 6.3 反相气相色谱法对再生炭黑表面吸附的研究
• 6.3.1 反相气相色谱法原理
• 6.3.2 实验装置与实验条件
• 6.3.3 无限稀释条件下再生炭黑的表面物理化学特性
• 6.3.3.1 吸附自由能
• 6.3.3.2 表面能色散分量
• 6.3.3.3 表面能极性分量
• 6.3.4 有限稀释条件下再生炭黑的表面活性
• 6.3.4.1 吸附等温线
• 6.3.4.2 表面能量分布
• 6.4 平版印刷油墨性能
• 6.5 小结
• 第七章 热解炭黑在水处理中的应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 吸附动力学曲线
• 7.2.1 实验材料
• 7.2.2 实验步骤
• 7.2.3 分析方法
• 7.2.3.1 仪器与试剂
• 7.2.3.2 工作曲线的绘制
• 7.2.4 实验结果和讨论
• 7.3 热解炭黑强化对水溶液中 Cr（Ⅵ）吸附-催化耦合过程的机理
• 7.3.1 吸附剂的物理性质
• 7.3.2 吸附剂的表面化学性质
• 7.3.3 吸附质的性质
• 7.3.4 机理分析
• 7.4 热解炭黑对水溶液中Cr（Ⅵ）的吸附动力学研究
• 7.4.1 拟一级吸附动力学模型
• 7.4.2 拟二级吸附动力学模型
• 7.5 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 作者情况简介
• 博士期间发表论文和申请专利情况
• 致谢