為了獲得較高膨脹性能與阻燃性能的石墨插層化合物,本文制備了一種硼酸鋅（ZB）改性可膨脹石墨(EG_Zn),并測(cè)試了其對(duì)于線性低密度聚乙烯（LLDPE）及硬聚氨酯泡沫（RPUF）的阻燃性能及機(jī)械性能的影響。首先,以H₂SO₄為主插層劑、ZB為輔助插層劑制備了EG_Zn。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)方法確定了的C、KMnO₄、H₂SO₄（98%）與ZB的適宜質(zhì)量比為1:0.25:4.5:0.3。同時(shí),反應(yīng)前H₂SO₄需稀釋至75%,然后在50℃下反應(yīng)40min。在上述反應(yīng)條件下得到EG_Zn的膨脹體積可達(dá)520mL/g。通過(guò)掃描電子顯微鏡、X射線粉末衍射、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析證實(shí)了EG_Zn的存在。然后,將EG_Zn分別添加于LLDPE和RPUF中,通過(guò)極限氧指數(shù)（LOI）、垂直燃燒實(shí)驗(yàn)、熱重分析、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)對(duì)比考察了單一硫酸插層可膨脹石墨EG

【文章來(lái)源】：河北大學(xué)河北省

【文章頁(yè)數(shù)】：68 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

石墨的結(jié)構(gòu)

河北大學(xué)碩士學(xué)位論文12實(shí)驗(yàn)前期，首先固定C與ZB的質(zhì)量比為1:0.3，以C:KMnO4:H2SO4:ZB=1:X:Y:0.3作為質(zhì)量配比關(guān)系，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)可確定X與Y的值。實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施過(guò)程中，以石墨3.0g為基準(zhǔn)物，初始H2SO4的質(zhì)量濃度為98%，密度為1.8361g/mL（即室溫20℃下的98wt%濃硫酸的密度），采用單因素實(shí)驗(yàn)法，以EV作為優(yōu)化指標(biāo)，先后確定了配比關(guān)系式中的X與Y的適宜值。同時(shí)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定了的反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間。2.4.1.1KMnO4的適宜質(zhì)量比值X的確定在GIC的制備工藝中，KMnO4作為氧化劑，其作用在于石墨經(jīng)過(guò)氧化處理后，分子或原子或原子團(tuán)能進(jìn)入石墨層之間的空間，從而形成GIC�？蛇x用的氧化劑很多，如KMnO4、KClO3、HNO3、H2O2等。使用KMnO4等不易得到均質(zhì)反應(yīng)物；而KClO3等會(huì)使得反應(yīng)劇烈，危險(xiǎn)系數(shù)較高；HNO3易揮發(fā)，容易形成酸霧，而且氮氧化物污染環(huán)境，不宜選用；使用H2O2形成的層間化合物不穩(wěn)定，后續(xù)處理中容易分解。遂綜上考慮，采用KMnO4作為氧化劑，H2SO4為插層劑，ZB為輔助插層劑，固定C:H2SO4(98%):ZB為1.0:4.5:0.3，反應(yīng)前將質(zhì)量濃度為98%的濃H2SO4稀釋至80%，反應(yīng)水浴溫度設(shè)定為50℃，反應(yīng)時(shí)間為40min，在0.05～0.40范圍內(nèi)改變X值，考察了KMnO4用量對(duì)EV的影響。結(jié)果如圖2.1所示。圖2.1KMnO4與石墨的質(zhì)量比值X對(duì)EV的影響如圖2.1所示，隨著KMnO4用量的增多，EGZn的膨脹體積先增大，在達(dá)到一個(gè)峰值以后開(kāi)始呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢(shì)，峰值處EV可高達(dá)500mL/g。不難理解，在峰值之前，隨著KMnO4用量的增多，氧化作用逐漸增強(qiáng)，從而使得進(jìn)入石墨層間的插層物逐漸增

第2章硼酸鋅改性可膨脹石墨的制備與表征13多，插層充分，其EV便隨之增大。在峰值之后，過(guò)量的KMnO4導(dǎo)致石墨在有酸參與反應(yīng)背景下發(fā)生了過(guò)氧化。過(guò)氧化使石墨邊緣破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致膨脹時(shí)產(chǎn)生的氣體易于從邊緣逸出，所以其EV下降。至此，可確定得出在該實(shí)驗(yàn)中的KMnO4的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量比X為0.25kg/kg。2.4.1.2H2SO4的適宜質(zhì)量比值Y的確定H2SO4在GIC的制備工藝中以氧化劑與插層劑的雙重身份存在，主要表現(xiàn)在在以H2SO4和HSO4-的形式插入到被KMnO4氧化處理后的石墨層間，并與被氧化了的碳原子結(jié)合形成GIC或者石墨硫酸鹽。在高溫膨脹過(guò)程中，大部分H2SO4分子和HSO4-離子轉(zhuǎn)化成H2O與SO2氣體逸出，并迅速將石墨的層間結(jié)構(gòu)吹脹開(kāi)來(lái)，石墨體積迅速高倍膨脹。然而，如果H2SO4用量過(guò)高，富余的H2SO4會(huì)導(dǎo)致石墨的過(guò)氧化，進(jìn)而破壞可膨脹石墨的層間結(jié)構(gòu)，降低其EV。因此，為得到性能優(yōu)異的EGzn，需要對(duì)H2SO4的添加量進(jìn)行優(yōu)化。值得一提的是，H2SO4的添加量包括兩方面：一是H2SO4的質(zhì)量比值Y（kg/kg），二是H2SO4的質(zhì)量濃度。在2.4.1.1中，已確定KMnO4的適宜質(zhì)量比值為0.25kg/kg；在此基礎(chǔ)之上，分別通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，確定H2SO4的適宜質(zhì)量比值Y及其適宜質(zhì)量濃度。為此，固定C:KMnO4:ZB的質(zhì)量比為1:0.25:0.3，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及H2SO4的質(zhì)量濃度與2.4.1.1中相同，在3.0~6.0范圍內(nèi)改變Y值，實(shí)驗(yàn)得到如圖2.2所示結(jié)果。圖2.2硫酸的質(zhì)量比值Y對(duì)EV的影響從圖2.2不難看出，EGZn的EV隨著H2SO4用量的增加表現(xiàn)出先增后減的變化，其


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