TiO₂介晶作为一种新型半导体材料,是由定向排列的初级纳米晶取向自组装形成的三维有序聚集体。因其独特的结晶方式而具有不同于传统TiO₂材料的独特性质,并且用相同合成方法所得TiO₂介晶的形貌结构大不相同,具有相同形貌结构的TiO₂介晶的性能和应用也大相径庭。概述了介晶的形成机理,总结了TiO₂介晶的制备方法,如水/溶剂热法、拓扑转化法、反相微乳液法等以及TiO₂介晶的光电催化性能,最后对TiO₂介晶的应用前景和研究方向进行了展望。

具有多重优异性能的石墨烯已经成为推动新经济、新业态下的革命性新材料,石墨烯柔性膜材料作为石墨烯基材料的一种重要表现形式,在光伏发电、能源储备、电磁屏蔽、抗菌消毒等领域有着广泛的应用前景,也成为研究的重点。针对目前石墨烯基柔性膜材料的制备方法、应用机理和应用范畴进行综述,并分析当下所面临的主要问题及其发展前景。

金属有机框架(MOFs)衍生的碳复合材料由于轻质、多孔、组分多样、损耗机制多样以及电磁参数可设计性强的优势,在复合吸波材料应用领域极具潜力。总结了近几年来MOFs衍生的不同种类的碳复合材料在吸波领域的最新研究进展。重点分析了根据合成方法分类的碳复合材料微观结构、微波吸收性能的差异,并讨论了不同方法的特点,最后概述了提高MOFs衍生碳复合材料吸波性能的方法,并对其未来发展方向进行了展望。

木质素具有功能基团丰富、生物相容性好、毒性低、含碳量高等优点,是制备功能复合材料的理想前驱体。木质素基复合材料通常具有环保、低成本等优点,广泛应用于储能、环保、电子器件等领域。综述了近年国内外木质素基复合功能材料和木质素基碳材料的最新研究进展,提出了当前面临的挑战和未来的发展方向,对木质素的开发利用和木质素基材料的应用前景进行了展望。

相变材料在解决建筑能耗方面具有广阔应用前景。针对使用单一相变材料容易产生泄漏、导热性差、存在污染性、腐蚀性、过冷和相分离的问题,提出将相变材料制备成复合相变材料再添加到建筑材料中。对相变材料进行了细化分类,介绍了相变材料的选用原则;归纳了两大类最常用的复合相变材料的制备方法和热物性质研究方式;梳理了将相变材料应用到建筑节能领域的多种应用方式;总结了复合相变建筑材料的掺入对建筑控温的应用效果。综合分析表明:复合相变建筑材料的掺入对建筑物温度具有明显的调控效果。温度升高时,复合相变材料吸热降低室内温度;温度降低时,复合相变材料放热提高室内温度。复合相变材料结合建筑材料使用可以在一定程度上提高建筑物的热惰性和热舒适性,但应对其应用耐久性和稳定性应进行进一步研究,最后对其发展趋势进行了展望。

中空纳米纤维具有独特的中空结构和较大的比表面积,在吸附、催化、电化学、医药等领域具有广阔的应用前景。静电纺丝技术是制备中空纳米纤维的有效手段。随着静电纺丝工艺的不断成熟,利用静电纺丝大规模制备中空纳米纤维提上了日程。首先详细介绍了基于静电纺丝技术制备中空纳米纤维的原理和方法,探讨了现阶段基于静电纺丝技术大规模制备中空纳米纤维存在的问题以及研究现状,总结了中空纳米纤维的应用进展,最后指出了中空纳米纤维的发展方向,为推动中空纳米纤维的大规模制备及应用奠定基础。

由静电纺丝法制备的纳米纤维具有多种优异性能,被广泛应用于环境治理领域。介绍了静电纺丝的工作原理、装置结构以及电纺丝纤维的优良特性,重点综述了以电纺丝纤维为载体与金属光催化剂TiO₂、ZnO、Cu₂O、MoS₂等和非金属光催化剂石墨相氮化碳(g-C₃N₄)等复合材料体系,论述了其在光催化氧化中的应用进展;及电纺丝纤维在过滤、吸附和其他环境治理领域(传感器、降噪、个体防护)的应用;并对其未来发展方向进行了展望。

碳纳米管作为一种战略新型碳材料以其独有的高强度、高导热、高导电等诸多优异性能,可应用于航空、电子器件、新能源汽车等国防军事及民生领域,而限制其广泛应用主要受制于高质高产制备。流化床反应器作为制备碳纳米管的核心部件,研究其内碳纳米管制备过程的流态化技术已愈发重要。综述了从碳纳米管的制备技术、生长机理及操作条件对其制备过程的影响到不同流化床内碳纳米管的流态化研究等这一系列围绕宏量制备碳纳米管的技术,提出了反应器内碳纳米管流态化特性研究中存在及未解决的问题,为将来更详细深入地研究碳纳米管的流态化技术提供了指导与方向。

氢气因清洁和可再生等优点,被认为是一种具有发展前景的清洁能源,在未来替代传统化石燃料的可再生能源体系中具有重要地位。电化学分解水是一种高效且环境友好的制氢途径,在电解水制氢技术的发展中,高效电催化析氢催化剂的作用显得尤为重要。二硫化钼(MoS₂)具有较低的析氢吉布斯自由能及耐酸碱腐蚀等优点,因此,MoS₂作为高效的电催化析氢催化剂一直是研究热点。阐述了MoS₂的电催化析氢机理,综述了不同形貌MoS₂在电催化析氢中的应用,通过对MoS₂电催化剂进行改性来优化其催化活性。研究表明通过改善MoS₂边缘位点的催化活性、增加活性位点的数量等方法能够极大地改善MoS₂电化学析氢过程中的催化活性。

金属有机框架化合物(MOFs)具有较多孔道,且孔道内存在大量均匀分布的不饱和金属位点,赋予了MOFs材料优异的催化性能。从Fe基MOFs、Zr基MOFs、Zn基MOFs、Cu基MOFs等不同金属簇的MOFs光催化材料角度,评述了MOFs材料在光催化还原Cr(Ⅵ)方面的研究进展,对MOFs材料在光催化还原Cr(Ⅵ)领域的研究前景进行了展望。

随着我国工业化水平的提高,大量有机污染物进入水体,导致水环境遭受破坏。生物质炭因比表面积大、孔隙结构发达、含氧官能团丰富等特性,对水体中有机污染物表现出良好的吸附性能。综述了近年来国内外生物质炭在水体有机污染物的吸附机理、影响因素、改性方法及对不同类型污染物的吸附应用等方面的研究进展,并对未来生物质炭对水环境中有机污染物去除的发展方向进行了探讨。

以六水氯化钙为基材,配备出一种新型复合相变蓄冷材料用于空调蓄冷。该材料的质量配比为81%六水氯化钙+5%乙醇+14%丙三醇。为了降低复合相变材料的过冷度,使用六水氯化铯为成核剂,发现成核剂的添加量为1.0%时过冷度几乎为零。为检验复合相变材料的热稳定性,进行了100次的热循环实验,材料未出现相分层,表明其热稳定性能良好。

基于相变材料的热能储存技术是提升能源利用率、降低热能消耗、推动碳达峰碳中和目标实现的重要途径。以硅酸钠为二氧化硅壳前驱体,工业相变蜡材料为芯材,制备了一种高封装率相变胶囊。通过红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、差示量热(DSC)、热重(TG)等手段对相变胶囊的化学结构、微观形貌、相变性能以及热稳定性进行表征和测试。结果表明:制备了SiO₂壳包覆相变胶囊,当芯壳质量比为12∶1时,封装率高达81.5%,融化焓值和结晶焓值分别达138.0J/g和137.6J/g。而且相变胶囊具有良好的防泄漏性能和热稳定性。另外,热循环测试表明,即使经过200次循环,相变胶囊仍然表现出优异的循环稳定性。提出的相变胶囊制备技术具有成本低、封装率高和操作简便等优势,实际应用前景良好。

电池热管理系统是保证电动汽车电池性能的关键部分,目前多使用单相变材料冷却技术。以相变温度不同的石蜡作为储热材料,以膨胀石墨作为吸附材料,设计了双层相变材料控温结构,双层相变材料结构具有“接力赛”式的双重缓冲控温过程。对制备的2种相变材料进行表征和测试,得出最佳材料配比。在不同的环境温度中将双层相变材料控温结构应用于锂离子电池进行放电实验。结果表明:质量分数为10%的双层相变材料在导热系数和泄漏率方面有较好的表现和较高的潜热值,双层相变材料结构在25℃和37℃环境温度中能够使锂离子电池最高放电温度分别保持在42℃和51℃,具备良好的控温效果,能在一定程度上保证锂离子电池的安全使用并延长其寿命。

以36℃相变石蜡为芯材,天然高分子壳聚糖为壁材,纳米二氧化钛(TiO₂)修饰壳体,利用乳化交联法制备了具有抗紫外功能性的相变微胶囊。探讨了不同因素对微胶囊性能的影响,经实验优化,当乳化剂用量为10%,油水相比例为3∶1,纳米TiO₂添加量为0.12g时,制得的相变微胶囊包覆率可达81.61%。通过扫描电镜、差示扫描量热仪、热重分析仪和紫外-可见分光光度计等分析,结果表明相变微胶囊表面光滑、形态规整,相变潜热为118.90J/g,具有良好的热循环和热稳定性,以及紫外屏蔽功能性。

通过水解缩合法制备末端为氨基的多面体低聚倍半硅氧烷(NH₂-POSS),并以此多面体低聚倍半硅氧烷(NH₂-POSS)作为聚酰亚胺的“二胺”,混合4,4′-二氨基二苯醚(ODA),均苯四甲酸二酐(PMDA)为二酐,以原位聚合法制备二元共聚聚酰胺酸溶液(PAA)。以二分法确定了NH₂-POSS在共聚PAA溶液中提供的氨基比例,通过热亚胺化制备成膜。探究了不同比例下NH₂-POSS对共聚膜的性能影响,通过红外光谱、热重分析仪、万能试验机和宽频介电阻抗谱仪对共聚膜进行性能表征。结果表明:共聚膜具有媲美纯聚酰亚胺膜的热稳定性(545℃,5%)和力学性能(拉伸强度90～122MPa),并且具有更低的介电常数(25% POSS-PI膜,10⁶Hz介电常数2.8)。

将聚吡咙和不同浓度聚酰亚胺前驱体的溶液混合,采用静电纺丝和高温碳化技术,通过表面形貌观察、结构表征和电化学测试对柔性纤维膜进行分析。结果表明,由于聚吡咙与聚酰亚胺二者结构相似,具有良好的相容性;纳米纤维膜经过氮气气氛亚胺化、碳化后表现出优异的柔韧性,可直接作为锂电自支撑负极材料。当聚吡咙与9%(wt,质量分数)聚酰亚胺的质量比为85∶15,电流密度为50mA/g时,经100圈循环后,仍有378.7mAh/g的放电比容量。

使用两步法聚酰亚胺(PI)制备工艺,结合静电纺丝技术,成功制备具有多孔结构的PI绝缘纸,并通过调整纺丝工艺调控纤维纸密度。通过改变喷丝速率发现,绝缘纸的体积密度先增大后减小;随着绝缘纸密度升高,其击穿场强逐渐增强,介电常数和体积电阻率逐渐增大。在喷丝速率为0.06mL/min时,PI纤维纸的体积密度达到最大为0.43g/cm³。此时,绝缘纸的拉伸强度为227MPa,击穿场强为70kV/mm,体积电阻率为10¹⁵Ω·m,介电常数为2.5,介电损耗仅为1.4×10^-4。如果使用纳米填料原位法对聚酰胺酸(PAA)进行掺杂,制备的绝缘纸击穿场强比未掺杂绝缘纸明显提升,说明该绝缘纸的性能仍然有提升拓展空间。

以不同温度和不同制备时间作为实验条件,采用溶剂热法制备了1^#、2^#、3^#三类Ni-MOF材料。然后,将MOF材料中的3^#和氧化石墨烯(GO)等多孔碳材料复合,测得其具有优异的电化学性能。3^#在50mA/g时的比电容达700F/g,在500mA/g通过100次循环后仍有电容为222F/g,可保持3^#器件初始电容的58.9%以上。3^#/GO在500mA/g时表现出412F/g的高质量比电容,并且在100次循环后,保持其初始电容的72%以上。该器件的最大能量密度和最大功率密度分别为11.58Wh/kg和46.32W/kg。通过X射线衍射、X射线光电子能谱技术、比表面积和氮气吸脱附、红外光谱和扫描电子显微镜等测试,证实了GO能显著地改善MOF赝电容的电化学性能。

以聚碳酸酯二元醇为软段,二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)为硬段,采用不同链长及同分异构的扩链剂合成了聚碳酸酯二醇型聚氨酯弹性体(PCDL-PUE),通过傅里叶变换红外光谱、差示量热扫描分析、动态机械性能分析等多种方法,对样品进行表征。结果表明:扩链剂链长越短,合成的聚氨酯综合性能越好,同时带有支链的扩链剂合成的聚氨酯具有软段结晶。

采用共沉淀法将磷钨酸根(PWA)柱撑插层层状双金属氢氧化物(LDHs)制备了MgAl-LDHs-PWA,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)等手段对其结构和形貌进行了表征,并对其热稳定性进行分析。结果表明:PWA插入LDHs层间,且MgAl-LDHs-PWA的热稳定性与残余量得到大幅度提升。同时,对环氧树脂(EP)/MgAl-LDHs-PWA复合材料的阻燃性能及力学性能进行了评价。结果表明:当添加质量为20%时,EP/MgAl-LDHs-PWA复合材料的极限氧指数(LOI)为26.2%,垂直燃烧(UL-94)达到V-0等级。EP/MgAl-LDHs-PWA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为29.28MPa和3.6%。

采用对苯二胺改性酚醛树脂分子结构并对酚醛树脂进行发泡制得性能优异的改性酚醛泡沫。通过红外光谱、核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、GPC和旋转黏度计对改性酚醛树脂进行表征,结果表示对苯胺已经成功引入酚醛树脂分子结构中,改性树脂分子量提高了25%。对改性酚醛泡沫的吸水率、质量损失率、尺寸稳定性、热重、极限氧指数等进行测试,结果表明:改性泡沫的吸水率最低可达到4.28%;质量损失率最低可达到3.94%;尺寸稳定性明显提高;质量损失5%时的温度、热分解峰值温度和残碳率均有所提高;极限氧指数最高可达41.2。对苯二胺改性酚醛泡沫具有更优异的耐热性和阻燃性。

以Cu²⁺为金属离子,对苯二甲酸(BDC)为配体,利用简便的滴加法合成了二维纳米片状铜基金属有机骨架(CuBDC),将CuBDC分别浸泡在pH梯度变化的乙酸水溶液中,合适的酸度值会促使CuBDC晶体发生溶解,然后重结晶生成另一种棒状形貌金属有机骨架(CuBDC-T),实现了CuBDC形貌和结构的转变。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪等表征手段对2种材料的组分、结构、形貌及转变过程进行了研究;通过CO₂环加成反应研究了2种材料的催化反应活性。结果表明:2种材料形貌的差异可能是晶体的成核速率和生长速率不同导致;反应时间达到4h时,在CuBDC作用下环状碳酸酯产物的产率达到62％,相较于棒状CuBDC-T,CuBDC纳米片显示出更好的催化性能。

采用反相细乳液法制备了两亲型聚氨酯丙烯酸酯改性的纳米氧化锌(PUA-ZnO),将活性碳碳双键引入ZnO表面。在此基础上以PUA-ZnO、环氧丙烯酸酯、三乙烯四胺和烯丙基二甘醇二碳酸酯为反应体系,通过反应诱导相分离法制备了抗紫外型环氧丙烯酸酯微球光扩散母液,并进一步与透明UV树脂复配制成光扩散膜,探究了不同PUA-ZnO用量下光扩散母液对膜材光学性能的影响,并对光扩散膜抗紫外性能进行了分析。结果表明:PUA-ZnO用量为0.06g时制备的光扩散母液性能最佳,对应的光扩散膜能同时具有较高的透过率(80.4%)及雾度(88.5%)和良好的抗紫外效果,经紫外加速老化试验测试,相应膜材到达明显变色等级的时间延长了约72h,具有应用潜力。

气凝胶以轻质、多孔、隔热等特性成为太阳能界面蒸发的理想基体。以芳纶纳米纤维(ANFs)为基体,通过共混掺杂和原位生长方法,制备了ANF载纳米银/二硫化钼(AgNPs@ANF/MoS₂)复合气凝胶。形貌、结构和性能分析结果表明:复合气凝胶为狭缝型多级孔结构,具有优异的压缩回弹性、低热导率[0.03W/(m·K)]和有效的光吸收(可见光区94.7%)。在5个太阳光照射下,表面温度最高可升温至67.5℃,蒸发速率高达13.9kg/(m²·h),具有非常优越的收集和转化太阳辐射的能力,同时验证了AgNPs@ANF/MoS₂复合气凝胶拥有优异的染料废水净化能力。

以氧化石墨烯为原料,采用3-氨丙基三乙氧基硅烷对其进行氨基化改性,利用水解产生的硅羟基和氧化石墨烯表面的含氧官能团进行缩合反应后,在使用二乙醇胺进行还原,得到改性还原石墨烯,对改性结果进行红外光谱分析。将其作为导热填料与内交联水性聚氨酯乳液原位聚合制备改性还原石墨烯/水性聚氨酯复合乳液,放入四氟乙烯模具室温干燥成膜,得到胶膜样品。利用万能材料试验机、导热系数测试仪和热重分析仪等手段研究填料质量分数对复合胶膜机械性能、导热性能和热稳定性的影响,利用扫描电镜观察胶膜的形貌,搭建热界面实验台考察其散热效果。结果表明:利用氨基化石墨烯改性水性聚氨酯,胶膜的拉伸强度、断裂伸长率、导热性能和热稳定性都能得到明显的提升。当填料质量分数为3%时,复合胶膜较纯胶膜热源温度降低了2.4℃,界面间传热效率得到提高。

电学性能是影响复合导电材料综合性能的关键,它直接关系到复合材料功能开发与应用。针对石墨烯/聚氨酯复合材料电学性能分析的复杂性,采用代表体积元法,即RVE法,基于Digimat平台,通过建立分析模型,对复合材料的导电性能进行模拟,并与实验进行比对分析。制备了石墨烯/聚氨酯复合导电材料,在分析复合材料细观结构特征的基础上,利用e-Xstream仿真软件的Digimat-FE模块建立了复合材料的代表体积元普通圆盘模型与带界面圆盘模型,模拟了不同填料添加量时复合材料体积电阻率的变化规律,探索了内含物长径比及界面相关参数对复合材料电阻率的影响,并与实验测试结果进行对比。结果表明:复合材料的电阻率随石墨烯质量分数的增加而减小,线度较好,与实验试样测试数据变化趋势和变化速率一致;与只使用普通圆盘作为内含物的模型相比,使用带有界面的圆盘模拟结果与实验值更为接近,说明创建的带界面圆盘RVE模型的有效性,可对石墨烯复合材料的导电性能进行模拟和预测。

对国产HF30F-24K碳纤维的力学性能、表截面形貌、单向和0°/90°经编织物性能及其复合材料性能进行了测试分析,结果表明:HF30F-24K碳纤维拉伸强度达到5000MPa以上,拉伸模量超过250GPa,且拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的离散系数即C_v值全部低于5%,该产品具有较好的力学性能和稳定性,并具有典型的湿法纺丝工艺特点;HF30F-24K碳纤维单向织物经向断裂强力达到了3800N/25mm以上,0°/90°经编织物经向断裂强力超过了2800N/25mm,纬向断裂强力大于2600N/25mm;HF30F-24K碳纤维单向和0°/90°经编织物复合材料层间剪切强度分别为125.8MPa和77.2MPa,体现了湿法纺丝工艺碳纤维的界面结合优势,HF30F-24K碳纤维的单向和0°/90°经编织物预浸料复合材料也因此表现出较好的拉伸、压缩、弯曲性能。

锂离子电池中的液态电解质存在漏液、腐蚀电极、氧化、燃烧甚至爆炸等安全隐患,固态电解质因具有安全性高、能量密度大、循环寿命长以及稳定性良好等优点走进了大众的视野。目前,在所知的无机氧化物固态电解质中,钙钛矿型Li_0.33La_0.56TaO₃(LLTO)电解质材料的综合性能较好,具有较高的晶粒电导率,并且和正负极材料之间具有良好的相容性,未来具有很大的发展前景。为了进一步提高该材料的总电导率,采用固相法将Ag掺杂到LLTO中,通过密度、交流阻抗和离子活化能等测试研究了不同掺杂量对LLTO相对密度、总电导率以及活化能的影响。

为了获得基于甲基八溴醚高效率阻燃聚苯乙烯(PS)复合体系,探索了甲基八溴醚(MOBE)与联枯复配阻燃PS行为规律。结果表明:联枯的加入能使MOBE在3%的添加量下显著地提升阻燃PS复合材料的极限氧指数(LOI)值,3% MOBE/0.3%联枯/PS的LOI值达到26.1%;在垂直燃烧实验(UL94)测试中,联枯的引入能够赋予PS“离火自熄”的特性。锥形量热仪测试结果表明,3% MOBE能够在一定程度上降低PS燃烧过程中的热释放速率峰值(PHRR),在0.3%联枯加入后则进一步使PHRR值下降了37%。在对二者协同阻燃机理的研究中发现,联枯对基体主链降解的促进作用,降低了PS复合材料的热稳定性,使PS在燃烧时能够将热量以熔滴的形式带走,减少可燃性分解产物的数量,使MOBE呈现更好的阻燃效果。上述结果表明,MOBE与联枯复合体系对于PS具有良好的协同阻燃效果。

缺陷型氧化钨(W₁₈O₄₉)是一种以纯态存在的非化学计量比的氧化物,以六氯化钨为钨源,甲醇、乙醇、异丙醇为溶剂,采用一步溶剂热法制备出不同形貌的W₁₈O₄₉。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线能量色散谱仪表征了W₁₈O₄₉的晶相结构、微观形貌及元素组成,并采用循环伏安法(CV)、恒电流充放电法(GCD)和交流阻抗法(EIS)分析了样品电化学性能。结果表明:使用不同溶剂制备的W₁₈O₄₉形貌差异较大,以乙醇作为溶剂制备的海胆状W₁₈O₄₉具有较大的比表面积(252.4m²/g)和良好的电化学性能。在电流密度为1A/g时比电容高达476.7F/g,高于甲醇、异丙醇作为溶剂制备的W₁₈O₄₉的比电容,且在完全润湿反应后当电流密度为2A/g时比电容为513F/g,可作为一种优异的电极材料。

碳硅复合材料是一种使用广泛的新型材料,但微观层面上的碳硅结合的缺陷限制了其性能的进一步提升。采用分子动力学模拟方法,研究了甲烷和纳米硅组成的碳硅修复体系对氧化石墨烯微孔的修复过程,模拟计算出沉积体系不同碳硅比例时的结构演变、径向分布函数、配位数与碳环的数量变化。提升硅元素的含量能够形成更多的碳硅键,过多的硅元素会导致自聚从而导致硅元素的分布不均匀;提升碳硅沉积体系中的碳含量能够优化硅元素的分布,形成长碳链并构成碳网络,促进缺陷结构的修复,优化结构中的孔洞分布并缩小孔洞的尺寸,从而改善材料的微观结构。

以QZ6026和QZ5526级国产聚丙烯腈(PAN)基高强型碳纤维为研究对象,采用万能材料试验机作为表征手段,考察了加强片、加强树脂种类、夹具类型和加强树脂固化温度对碳纤维拉伸性能和离散性的影响。结果表明:加强片、加强树脂种类、夹具类型和加强树脂固化温度均对高强型碳纤维的拉伸性能有显著影响。采用砂纸作为加强片测得的碳纤维拉伸强度较高,采用504树脂作为加强树脂的样条拉伸强度高于E44树脂,且纤维强度愈高,稳定性越好;采用气动夹具夹持,测得的碳纤维拉伸强度高,拉伸强度离散系数小;固化温度过高或过低均会导致碳纤维拉伸强度下降。

分别采用十二烷基苯磺酸钠/聚乙烯醇(SDBS/PVA)、吐温20和辛基苯酚聚氧乙烯醚(OP-10)3种不同的乳化剂,通过原位聚合法制备了以硬脂酸十二烷基酯(DS)相变材料为核、三聚氰胺-尿素-甲醛树脂(MUF)为壳的相变微胶囊。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、差式扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TG)对微胶囊的表面形貌、化学结构、相变性能和热稳定性进行了表征。结果表明,所得相变微胶囊呈圆球形,表面较为粗糙;与SDBS/PVA复配乳化剂相比,以非离子型乳化剂吐温20和OP-10制备的相变微胶囊粒径较小;当采用吐温20为乳化剂时,所得微胶囊具有良好的储热能力,熔融焓高达139.2J/g,囊芯含量为69.5%;由于DS本身的蒸发温度较高加上进一步的封装,所制备的相变微胶囊表现出良好的热稳定性,其耐热温度可达250℃。

聚焦聚合物填料的三要素(化学组成、尺寸、填料与聚合物的界面特性),提出将高温煅烧处理、机械破碎和填料表面改性处理相结合的组合技术路线,实验获得各处理阶段的关键技术参数。采用高温煅烧方式对煤矸石进行除碳及活化处理,通过TG/DSC、XRD、FT-IR和SEM等手段分析确定煅烧温度及其对煤矸石理化性质和微观结构的影响规律,同时揭示煅烧活化煤矸石的相关机制。随后,以煅烧后的煤矸石为原料,在机械破碎的同时添加硅烷偶联剂,一步直接制备小尺寸、表面改性的煤矸石填料,并通过FT-IR和SEM等手段考察硅烷偶联剂对煤矸石填料的表面改性、改性填料的粒径和分散状况。结果表明,煤矸石的最佳煅烧活化条件为500℃煅烧2h;通过“一步法”可以实现高效率制备小尺寸和表面改性煤矸石填料。

环糊精金属有机框架材料(CD-MOFs)是一种绿色环保的新型金属有机框架材料,但由于其水稳定性差,在实际应用中受到了限制。通过交联CD-MOFs和柠檬酸(CA)来提高环糊精基MOFs的水溶液稳定性。研究制备了CA改性的CA-γ-CD-MOF复合材料,并作为吸附剂从水溶液中去除阳离子染料结晶紫。在15mg CA-γ-CD-MOF用量、20℃、pH 6和60mg/L初始结晶紫浓度下,CA-γ-CD-MOF对结晶紫的平衡吸附能力为79.86mg/g,相应的清除率达到99.83%。此外,CA-γ-CD-MOF在经过3次吸附解吸循环,吸附率仍达第一次的98%以上,表现出良好的再生能力。动力学和吸附等温线研究表明,吸附遵循拟二阶动力学,CA-γ-CD-MOF吸附结晶紫是一种自发的单层吸热过程。因此,CA-γ-CD-MOF是一种高效、绿色、可循环利用的吸附剂。

以低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯为基体,研究了两种共轭效应大于3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅氧烷(KH570)、极性效应与KH570差值较大的共单体N-苯基马来酰亚胺(N-PMI)和甲基丙烯酸-2-羟基丙酯(2-HPMA)的加入对聚乙烯(PE)接枝硅氧烷KH570的影响。利用红外光谱分析证实了PE已经成功接枝了硅氧烷KH570和共单体,熔体流动速率、接枝率、凝胶率测试结果表明,两种共单体的加入,均能提高PE接枝硅氧烷的效果,而且N-PMI促进接枝的效果明显优于2-HPMA。当KH570用量为0.84g,共单体N-PMI和2-HPMA用量分别为0.84g和1.26g时,产物接枝率达到最大,分别为1.23%和0.85%。

由刚性链和柔性链组成的刚柔嵌段共聚物具有优异的性能,在各行各业得到广泛应用。利用分子动力学方法探究了这类聚合物中刚性强度、含量、刚性段分布对材料力学强度和生热性能的影响。研究发现,刚性强度和刚性嵌段含量增加均会导致材料力学强度提高和生热性能变差,但当刚性嵌段含量一定时,通过调控刚性段嵌段分布可以获得力学性能优异、滞后生热损失低的材料。在此基础上,探究了支化和交联的影响,研究结果表明,分子链支化和柔性嵌段交联能够改善材料力学性能。

以硝酸银为银源、乙二醇为还原剂,采取溶剂热反应途径,制备了高长径比的银(Ag)纳米线,通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的选择性晶面吸附、乙二醇的介导和无机离子的辅助作用,对Ag纳米线的物相和形貌结构进行了有效调控。详细地考察了PVP加入量、无机离子助剂摩尔配比、反应时间和温度等因素对Ag纳米线产物形貌的影响。结果表明:将PVP浓度控制在44g/L,调节等摩尔离子(Fe³⁺、Cu²⁺)助剂的总浓度为0.24mmol/L,在408K温度下进行5h溶剂热反应,可获得平均线径70nm、平均长度高于40μm的Ag纳米线,非线性副产物(如微纳米Ag晶粒)占比不超过5%,且Ag纳米线产物的纯度高、结晶度良好。

基于半导体能带理论,设计并制备了不同浓度Fe掺杂的球形混晶TiO₂基光催化剂,利用X射线衍射、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜、能谱分析、荧光光谱等测试方法对样品进行系统性表征,并以甲基橙(MO)溶液为目标污染物模拟印染废水,研究样品在太阳辐射下的光催化性能。结果表明:TiO₂具有锐钛矿/金红石/板钛矿三相混晶结构,Fe掺杂能明显促进锐钛矿向金红石转变,显著提高太阳光利用率和有效抑制光生载流子复合;2% Fe³⁺/TiO₂的光催化活性表现最佳,其对MO的催化降解效率高达94.6%(120min),反应速率常数为23.22×10^-3min^-1;活性组分猝灭实验证实h⁺氧化是降解MO的核心机制,·OH和·O^-₂则发挥次要作用。

以三聚氯氰和对苯二胺为单体,利用三聚氯氰中3个氯原子的分级亲核取代反应得到含氮多孔有机聚合物(Cy-PA POP)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重(TG)及氮气吸附-脱附等手段表征其结构。以染料废水中典型的偶氮染料刚果红为去除对象,研究Cy-PA POP对其的吸附行为,并探讨了吸附机制。结果表明:当吸附剂用量为10mg,刚果红溶液初始浓度为100mg/L时,完全吸附时间为20min,Cy-PA POP对刚果红表现出超快地特异性吸附,最大吸附容量可达441.22mg/g。Cy-PA POP对水中刚果红的吸附动力学符合准二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir模型,且吸附热力学表明吸附行为是自发的过程。

以硝酸银和铬酸钾为原料,采用简单的水热法制备Ag₂CrO₄,再通过沉淀法合成复合不同质量分数AgBr的AgBr/Ag₂CrO₄复合光催化剂,并对产物进行通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外漫反射仪(DRS)和荧光光谱分析仪(PL)等表征。结果表明:水热法所得Ag₂CrO₄为块状微米结构,粒径约为20μm;不同质量分数的AgBr复合Ag₂CrO₄后,粒径明显变小,约为1μm。以亚甲基蓝为目标分解物,考察了复合不同质量分数AgBr的AgBr/Ag₂CrO₄复合催化剂光催化性能,结果表明,复合光催化剂的催化性能更佳;在模拟自然光照下,0.10g复合质量分数为90% AgBr的AgBr/Ag₂CrO₄,降解亚甲基蓝溶液(100mL,10mg/L)10min后,降解率高达97.7%,是相同条件下商用TiO₂对亚甲基蓝降解率的5倍。

以氯化钙、磷酸氢二铵、十六烷基三甲基溴化铵为原料,采用水热合成工艺制备了介孔纳米羟基磷灰石,并用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和比表面积分析仪对其进行物相、形貌和结构进行表征,然后着重研究了介孔纳米羟基磷灰石在各种不同条件下对刚果红染料的吸附性能。结果表明:介孔纳米羟基磷灰石的微观形貌为针棒状,比表面积为29.7376m²/g,平均孔径为41.558nm,孔体积为0.325196cm³/g。介孔纳米羟基磷灰石材料对刚果红染料具有较好的吸附性能,当溶液pH为7时,介孔纳米羟基磷灰石对刚果红吸附效果最好,最大吸附量可达183.77mg/g。通过模型拟合可知介孔纳米羟基磷灰石对刚果红的吸附过程符合准二级动力学模型和朗格缪尔等温吸附模型,属于自发的吸热过程。因此,介孔纳米羟基磷灰石可以作为绿色生物吸附剂用于染料的吸附。

通过三聚氯氰(TCT)与对苯二胺(PPD)反应,成功合成了基于三嗪结构制备的微孔聚合物,然后在 700～1000℃的环境下对微孔材料进行煅烧。结果表明,经900℃碳化的N-CTF-900样品的电化学性能最好,当电流密度为1A/g时,比电容为264.2F/g。经过10000次充放电循环,电容保持率达91.0%,展示出良好的循环稳定性和倍率性能,可作为超级电容器的电极材料。此外,随着碳化温度的升高,样品的碳化程度、电导率、孔隙率和微孔体积均增大。

通过对石墨烯(GN)与石墨烯气凝胶(GA)的制备介绍,对目前GA在污水处理中的相关应用研究进行了叙述。综述了GA的吸附能力,以及在去离子电容技术(CDI)和GA作为催化剂载体的应用,并对GA在污水处理中的作用前景进行了展望。

以玉米秸秆为碳源(CS),经Na₂CO₃溶液浸泡预处理后,采用KOH活化,制备了多孔生物质碳材料(CS-ACs)。通过形貌、结构表征及电化学性能测试,发现生物质碳材料CS-AC-3具备多级孔道结构,比表面积可达3299m²/g。三电极体系下,该材料在6mol/L NaOH和0.5mol/L Na₂SO₄电解液中,1A/g电流密度下,比电容分别为272F/g、220F/g,循环5000圈后(5A/g),其容量保持率为89%和80%;二电极体系中,以该材料组装的CS-AC-3//CS-AC-3对称电容器具有1.4V的宽电压窗口和较好的电容特性。作为一种可再生廉价碳材料,CS-ACs在实际应用中有好的应用前景。

通过水热法从生物质废料玉米秸秆中制备表面光滑的碳微球(CMs),并首次将未经碳化或活化的生物质碳微球作为间隔物插入石墨烯片层中合成CMs/rGO复合水凝胶。碳微球在抑制石墨烯片层团聚的同时,可以提高材料的亲水性和表面相容性。基于此复合材料组装的无粘结剂对称型超级电容器表现出良好的双电层电容(0.3A/g时264.1F/g),出色的倍率性能(10A/g电流密度下电容保持率为81.5%),以及优秀的循环稳定性(10A/g下循环10000次,电容保持率为95.6%)。

以顺丁橡胶(BR)、丁腈橡胶(NBR)、天然橡胶(NR)和丁苯橡胶(SBR)为研究对象,在探究橡胶种类对防滑性能影响的基础上,向NBR中加入改性粗粒碳化硅(SiC),制备了NBR/SiC复合材料,研究SiC添加量对复合材料性能的影响。结果表明,干摩擦下橡胶与摩擦副的粘附性越大,摩擦系数越大,润滑状态和冰面上的摩擦系数明显减小;改性粗粒SiC的加入对材料的力学性能、硫化特性及防滑性能均有影响,干摩擦系数随着SiC的增加而减小;润滑状态和冰面上的静摩擦系数提高了106%和114%,动摩擦系数提高了60%和141%,可满足鞋底防滑要求。

以不同孔隙密度泡沫陶瓷作为复合材料骨架,选用聚氨酯作为基底材料填充进泡沫陶瓷,制备出泡沫陶瓷-聚氨酯复合材料。通过分析复合材料的微观形貌,以及对材料的压缩和冲击性能进行测试分析,研究了不同孔隙密度泡沫陶瓷对复合材料压缩性能及冲击性能的影响。结果表明:加入泡沫陶瓷后的复合材料界面结合紧密,性能得到提高。当泡沫陶瓷的孔径密度为40ppi时,复合材料压缩强度得到了极大提高,达到了16.52MPa,相比较纯PU,压缩强度提高了84.2%,复合材料压缩强度达到最大。但复合材料的抗冲击性能与泡沫陶瓷孔隙密度成反比,泡沫陶瓷孔隙密度越低,材料抗冲击性能越好,20ppi泡沫陶瓷聚氨酯复合材料冲击能量为66.25J,与纯聚氨酯相比,冲击能量提高了367.2%,性能得到明显增长,表现出良好的力学性能,可在建材领域加以利用。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种无金属光催化剂,具有环境友好、良好的热稳定性和化学稳定性,以及优异的光电化学性质等优点。但另一方面,其比表面积低、活性位点少、光生电子-空穴对复合速度快等缺陷限制了其光催化应用。综述了g-C₃N₄的改性方法,包括微观纳米化增强响应速度及增加活性位点,复合半导体增加载流子传输速率,构筑异质结提升电子-空穴分离效率等。经改性处理后,g-C₃N₄降解污染物的效率大大增加。

碳纤维在复合材料中的强度转化对其应用至关重要。界面结构与性能是影响碳纤维强度转化的关键因素之一。对碳纤维与树脂基体材料的界面结构进行了简要介绍。对界面层主要的构成部分,即上浆剂对提高碳纤维强度转化率的效果进行了讨论,明确了针对特定材料体系,存在一个最佳的上浆量能够使界面结合最强。对层间剪切强度与碳纤维的强度转化率之间的关系进行了梳理,指出在该领域仍然存在一定的争议和不明确性,需要进一步的深入研究。

以煤矸石为原材料,添加相应发泡剂和胶凝剂制备产品。制备完成后进行性能测试。在煤矸石多孔土壤制备研制过程中,采用单因素实验方法,先探究不同温度下煅烧活化效果,之后探究发泡剂种类和胶凝剂种类对多孔土壤性能的影响,制定吸水材料的最佳配料种类。结果表明:以山西煤矸石为原料时,经过煅烧活化后其保水性能最好的胶凝剂为水泥,保水性能、吸水性能和抗流失性能效果最好,其保水率为79.00%,吸水率为78.61%,流失率仅为0.50%。

基于碳量子点材料制备了一种新型太阳能驱动界面水蒸发系统,将碳量子点的荧光效应与光热效应集成到一个系统中。利用单宁酸(TA)和氨基硅烷化试剂(APTES)对脱木素木材表面进行修饰,使其表面呈现层级排列的球纳米颗粒,增加表面粗糙度,提高界面亲水性。然后,用聚乙烯醇(PVA)为分散剂分散碳量子点,并旋涂于脱木质素木材的上表面,PVA可以有效地阻止碳量子点发生非辐射能量转移导致的荧光猝灭。此外,通过单因素优化实验优化APTES的生长时间和浓度,获得该体系最佳的水蒸发速率和荧光强度。在1个太阳光辐照下,水蒸发速率最高达到了2.5kg/(m²·h),并且具有优异的荧光传感性能。

苯胺是一种典型的有毒污染物,在工业废水中较为常见,而常规处理技术对其处置效果不佳。光催化耦合臭氧高级氧化技术因为高效快速,具有广泛的应用前景,可以作为有毒有机污染物的处置手段之一。通过制备了一种C改性TiO₂负载磁性活性炭(C-TiO₂@Fe₃O₄/AC)催化剂,考察了其光催化耦合臭氧氧化处理苯胺的效果。研究结果表明,运行30min后即可达到95%以上的降解效率,苯胺去除率和反应效率均高于普通的C-TiO₂和Fe₃O₄/AC催化剂。

以沙柳纤维为原料,通过磷酸氢二铵活化制备沙柳纤维状活性炭(沙柳ACF),按特定比例与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制备亲油疏水型沙柳纤维状活性炭(ACF_PDMS)材料,利用单因素实验对制备工艺进行优化,研究了PDMS溶液质量分数、浸渍比、浸渍时间对ACF_PDMS接触角、油水分离率的影响。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、界面张力测定仪分别测定了ACF_PDMS的表面形貌、官能团、晶体结构及接触角并分析其疏水性能。结果表明:在PDMS溶液质量分数为45%、浸渍比为1∶2.5、浸渍时间为12h条件下ACF_PDMS疏水效果最好,接触角可达152.4°;在PDMS溶液质量分数为45%,浸渍比为1∶2,浸渍时间为12h时,ACF_PDMS的油水分离率达89.4%,分离效果明显。

制备了PbS量子点(PbSQDs)修饰的中空CeO₂微球(PbS@h-CeO₂)。通过SEM、(TEM、XRD和XPS测试复合材料的形貌和结构,通过UV-Vis、电化学和稳态荧光测试其光电性能。结果发现,复合材料为直径约700～800nm的中空纳米微球。对复合材料进行光催化降解RhB的性能测试表明,PbS@h-CeO₂-30在30min暗吸附和150min可见光照条件下可去除78.4%的RhB,同样条件下h-CeO₂只能去除37%的RhB。结果表明,引入PbSQDs修饰h-CeO₂后,通过量子点调节光的吸收范围,提高光生电子-空穴的分离效率,从而提高光催化性能。最后推导出其催化增强机理。

工业化发展导致废水中含有大量重金属离子,去除重金属离子成为水质净化的研究热点。以活性炭(AC)为主体吸附剂,进行三氯化铁改性,制备出三氯化铁改性活性炭吸附剂(Fe³⁺-AC),通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)对其结构进行表征。结果表明:三氯化铁已成功改性活性炭,改性后吸附剂Fe³⁺-AC孔径较AC有所增大,更有利于离子吸附。进一步探究Fe³⁺-AC对Cr(Ⅵ)的吸附能力,吸附时间为300min,吸附剂投加量为0.2g,pH为6时,吸附效果最好,在此条件下,Fe³⁺-AC对Cr(Ⅵ)的去除率接近90%,为后续循环吸附研究奠定基础。

利用聚乙烯醇(PVA)表面含有较多含氧官能团的特点,通过一系列化学修饰手段在其表面连接上聚乙烯亚胺(PEI)大分子,得到PEI-PVA纳米微球。通过扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱等多种表征方法,完整揭示了其形貌和化学组分。对阴离子表面活性剂污水的处理实验显示,PEI-PVA纳米微球在酸碱性条件下都具有较好的吸附效果,且随吸附时间的延长吸附量不断增大,24h后趋于稳定。以其为原料制得的PEI-PVA高分子薄膜具有较好的吸附处理效果和较强的重复利用性,具有广阔的应用前景。