基于X射线衍射法研究改性脱硫灰基生态橡胶的制备过程及机理

脱硫灰作为半干法脱硫技术主要副产品,其利用难度大且成本高,导致大量脱硫灰以直接堆放和填埋的方式处理,不但造成环境污染,而且浪费潜在资源。橡胶作为广泛应用的聚合物材料,在橡胶制备加工过程中需大量使用填料改善其力学性能、加工性能和填充增容。炭黑与白炭黑作为常用的橡胶填料,其不仅生产工艺繁杂,而且对能源和资源消耗量大,导致成本较高。面对上述问题,如何利用脱硫灰开发一种价格低廉的无机橡胶填料,既是固体废弃物高附加值利用又是资源可持续发展的重要途径之一,也是橡胶企业大幅降低填料成本提高经济效益的重要途径之一。由于脱硫灰属于无机材料,橡胶属于有机材料,为了更好的降低脱硫灰界面与橡胶界面(无机界面/有机界面)的不相容性,需要对脱硫灰进行化学改性处理。以该课题组前期取得的研究成果为基础,创新性以改性脱硫灰取代部分炭黑制备改性脱硫灰基生态橡胶。利用XRD对改性脱硫灰基生态橡胶制备过程各阶段的生产物质进行测试,即丁苯橡胶密炼胶制备阶段、改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备阶段和改性脱硫灰基生态橡胶制备阶段,从微观层面揭示丁苯橡胶密炼胶制备过程、改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备过程和改性脱硫灰基生态橡胶制备过程,阐明硫化过程中丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰的结合机理。同时采用SEM对丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的微观形貌进行测试,以进一步佐证所获得的相关机理。结果表明:改性脱硫灰加入丁苯橡胶密炼胶后,改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的最大转矩F max大幅下降、最小转矩F L保持稳定、ΔF=F max-F L显著下降,同时焦烧时间t 10与正硫化时间t 90均缩短。硫化诱导期为0~387 s、硫化反应期为387~1586 s和硫化平坦期为1586~1800 s。在硫化诱导期形成非交联网络结构、硫化反应期前期形成基本交联网络结构、硫化反应期后期完善交联网络结构和硫化平坦期保持交联网络结构。以期为高附加值的脱硫灰资源化利用提供一定理论依据和技术支持。     

膨润土有机改性的FTIR和XRD研究

研究内容是制备有机膨润土以提高膨润土与有机相的相容性,同时观察膨润土的层状结构在有机化前后的变化情况。以钠基膨润土为原料,并用十八胺试剂作为有机插层剂取代膨润土层间的Na+,制得有机膨润土,且对其结构进行表征。FTIR和DTA-TG都证明有机插层剂已进入膨润土的层间;XRD表明膨润土的层间距由1.4增大到4.3 nm;从实验结果可知,钠化膨润土在各种指标上都比原钙基膨润土有显著的改善,如吸蓝量、膨胀容、胶质价、阳离子交换容量等。改性后的膨润土使其晶片层间的亲水环境改变为疏水环境以及增大晶片层间距离,从而有利于制备综合性能较好的复合材料。     

基于SEM与FTIR研究改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%,同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量形成严重影响。面对上述问题,以热闷渣、电炉渣和风淬渣研发改性钢渣微粉,并且将改性钢渣微粉与复合橡胶进行复合制备改性钢渣/橡胶复合材料。依据《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》（GB/T3512—2014）对改性钢渣/橡胶复合材料进行热氧老化处理,采用平衡溶胀法测定改性钢渣/橡胶复合材料的交联密度,扫描电子显微镜（SEM）、热重分析仪（TGA）和傅里叶转换红外光谱仪（FTIR）分别测试其微观形貌、失重率和结构组成,从微观层面阐述改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理。结果表明在热氧老化前期老化作用在改性钢渣/橡胶复合材料表面,其内部以交联键形成反应为主;在热氧老化中期老化作用已经作用改性钢渣/橡胶复合材料内部,造成交联键断裂反应速度高于交联键形成反应速度,形成大量断裂交联键;在热氧老化后期由于改性钢渣/橡胶复合材料内部已经存在大量断裂交联键,导致主链及交联键断裂速度降低,交联键形成反应占优势。改性钢渣微粉以热闷渣（SiO₂含量高）为原材料,有利于形成聚合物大分子链贯穿炭黑网络的结构,提高综合性能,尤其是物理机械性与滞后性;以电炉渣、风淬渣（Fe₂O₃含量高）制备改性钢渣微粉,有利于热传导性能的改善,不仅提高改性钢渣/橡胶复合材料的耐热性,而且提高其硬度与脆性。热氧老化过程中改性钢渣/橡胶复合材料内部在橡胶分子链α-H上发生了不同程度的氧化反应,并在橡胶分子链周围生成了羟基、羧基和醇类化合物,双键烯氢含量降低。     

基于XRD与FTIR的碱钢渣胶凝材料复合激发机理研究

以Na₂SiO₃、NaOH和Ca(OH)₂制备碱溶液,然后利用碱溶液对钢渣进行活化处理。分别研究Na₂SiO₃用量、NaOH用量和Ca(OH)₂用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响,获得最优力学性能的碱钢渣胶凝材料。采用XRD,FTIR和SEM对最优力学性能的碱钢渣胶凝材料进行表征。结果表明,当NaOH用量为4.50 g、Na₂SiO₃用量为11.25 g和Ca(OH)₂用量为6.75 g时,碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。Na₂SiO₃对碱钢渣胶凝材料的7 d抗压强度影响显著,NaOH对碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度影响显著,Ca(OH)₂对碱钢渣胶凝材料的28 d抗压强度影响显著。Na₂SiO₃,NaOH和Ca(OH)₂碱性物质的加入促使钢渣形成稳定的C-S-H凝胶与沸石类相。     

FTIR与XRD的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO2空心微球制备机理研究

随着社会经济的发展,环境空气品质已经成为研究热点。TiO₂是一种化学稳定性高,耐腐蚀性强,对人体无毒无害的N型半导体材料。利用TiO₂的光催化性能提高室内环境空气品质已经成为研究焦点,但是由于TiO₂只能在紫外光源下才具有较高的光催化效率,而在可见光源下的光催化效率较低,从而极大的限制了TiO₂在室内环境领域的发展。因此,研发在可见光源下具有良好光催化性能的TiO₂复合材料势在必行。利用元素掺杂改性技术与提高比表面积方法可以改善光催化反应过程中量子效率和对光能的利用率,以加快电子和空穴向表面迁移的速率同时降低光生载流子的复合机率。以二氧化硅SiO₂为模板、聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂、硝酸铈Ce(NO₃)₃·6H₂O和硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O为改性剂采用溶胶-凝胶法制备均匀粒度分布的Ce-Cu/TiO₂空心微球,并将制备过程分为四个阶段,即纳米SiO₂球模板的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备和Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与X射线衍射仪（XRD）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备过程各阶段生成物进行测试与分析,即在纳米SiO₂球模板的制备阶段从微观角度研究纳米SiO₂球模板的搭建过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备阶段研究TiO₂附着于纳米SiO₂球模板的过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备阶段研究煅烧工艺对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中晶相与结构的影响,在Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备阶段研究氢氧化钠溶液对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中纳米SiO₂球模板洗涤效果的影响。利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的光响应性能进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。利用激光粒度分析仪（LPSA）与扫描电子显微镜（SEM）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的粒度分布与微观形貌进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球的均匀粒度分布效果。结果表明：以Si-O-Si基团构建非晶体结构的无定形态纳米SiO₂球模板,有利于聚乙烯吡咯烷酮在纳米SiO₂球模板表面附着,从而控制Ce-Cu/TiO₂空心微球的空腔结构。Ce-Cu掺杂基本进入TiO₂晶体,极少进入纳米SiO₂球模板晶体,从而抑制了Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变。Ce-Cu掺杂TiO₂可以促使TiO₂内部形成新的能级,实现能量较小的光子捕获e-和h+,从而提高Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。Ce-Cu/TiO₂空心微球的表面光滑且不存在明显的缺陷,其形貌呈现良好的球体且粒径分布均匀,即d₉₀为219.54 nm,d₅₀为151.60 nm、d₁₀为103.84 nm,以及d₉₀-d₁₀为115.70 nm。研究结果为进一步获得可见光源下具有良好光催化性能的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO₂空心微球提供理论依据和研究基础。     

苯甲酰胺对高岭石插层的FTIR和XRD研究

苯甲酰胺在熔融状态下取代前驱体中的DMSO分子插层高岭石,产物经丙酮洗涤,得到纯净的高岭石/苯甲酰胺插层复合物。XRD结果显示高岭石层间距从0.717 nm膨胀到1.437 nm。插层作用使高岭石内表面羟基红外伸缩振动峰由3 696和3 657 cm-1移动至3 701和3 651 cm-1处;苯甲酰胺3 368和3 172 cm-1处NH₂基伸缩振动峰红移至3 474和3 184 cm-1处,1 659 cm-1处羰基峰移至1 640 cm-1处,这些表明原高岭石层间氢键的损失及与苯甲酰胺分子之间氢键的形成。插层反应于30 min迅速达到平衡,插层率随反应温度的增加先增加后减小,180 ℃时有最大插层率;以丙酮作为洗涤剂可以消除表面吸附和残余的苯甲酰胺晶体而不影响复合物的结构。     

基于FTIR和XRD的降低连铸保护渣红外辐射传热研究

根据常用工业保护渣的成分范围配制出含有TiO2的连铸结晶器保护渣,通过实验检测并分析了渣样FTIR光谱及X射线衍射图谱,探讨了熔渣辐射传热特性随TiO2变化的规律.FTIR分析结果表明,在1～6 μm波段范围内,TiO2具有明显降低渣膜红外透过率的作用.X射线衍射结果表明渣中枪晶石的含量减少,析出CaTiO3等晶体,枪晶石的大量减少有利于铸坯的润滑.通过辐射传热模型计算得到铸坯与结晶器之间的辐射热流密度.TiO2的加入使渣样热流密度大为降低,并随其含量增加而降低,最高达30%.由于试样表面及晶界强烈的折射和散射,结晶态试样对辐射传热的降低作用比玻璃态试样更明显.     

FTIR和XRD研究甲酰胺在高岭石插层复合体系中的形态及其复合物的微观结构

插层复合体系中,有机插层剂在插层的同时也可能吸附在复合物的表面或以自由态存在,对插层分子的表征将会产生较大的影响。以丙酮作淋洗剂,用FTIR及XRD技术对淋洗前后的插层复合体系监控,插层剂分子在复合体系中的可能存在形式,探讨水的作用及复合物微观结构的变化。结果显示：甲酰胺有插层、游离和吸附在复合物表面三种存在形态。3 355和3 462 cm-1处的红外振动峰归属于表面吸附的插层剂分子,3 626 cm-1的峰归属于插层的H₂O分子,在干燥后均消失。H₂O作为填充空间的分子参预了插层过程,且插入到层间,并在干燥后脱嵌。3 534 cm-1处的振动峰在淋洗前后一直存在,是由于插层的甲酰胺分子与高岭石层间形成氢键作用的结果。以丙酮作为淋洗剂,可以选择性的消除表面吸附的甲酰胺而不影响复合物的结构。插层的甲酰胺分子以C—N键垂直于层片呈单分子层排列,并通过氨基与高岭石铝氧八面体层的内表面羟基和硅氧四面体层的氧形成了两种氢键作用。     

龙岩高岭土的苯乙烯原位聚合插层的FTIR和XRD研究

以福建龙岩高岭土为主要原料,用沉降的方法得到平均粒径为1.75μm的沉降高岭土。用DMSO插层高岭土,后用苯乙烯单体取代前驱体中的DMSO分子,产物经四氯化碳洗涤后,在马弗炉中270℃本体聚合2h得到高岭土/聚苯乙烯复合物。红外在1 453,1 499和1 606cm-1的吸收振动峰证明了聚苯乙烯的存在。XRD结果显示高岭土层间距0.712nm,苯乙烯聚合后片状结构已经被剥离。热重显示聚苯乙烯占复合物质量的40%,还有约5%的未除去DMSO和4.8%的羟基,估算出高岭土∶聚苯乙烯=1.375∶1(质量比)。扫描电镜也验证了这种剥离。     

成都金沙遗址古人类与古动物牙齿的FTIR与XRD分析

利用FTIR与XRD判断成都金沙遗址古人类与古动物牙齿釉质和牙本质中羟基磷灰石受埋藏环境和成岩作用的污染程度。XRD图谱结果反映牙釉质和牙本质样品中最主要成分是羟基磷灰石,但衍射峰宽,且部分重叠,表明羟基磷灰石结晶度差。所有样品FTIR图谱中H₂O和OH-的振动带显著,PO3-₄和CO2-₃主要振动带的特征峰明显,近似现代生物羟基磷灰石。表征羟基磷灰石结晶程度的PCI指数值在2.4至4.0之间,同时利用BPI指数估算的羟基磷灰石中CO2-₃含量较高, 说明样品结晶程度不高。上述结果表明,所取的金沙遗址古人类与古动物牙釉质和牙本质中羟基磷灰石受埋藏和成岩作用的污染小。     

Insights into the Reinforcement of Butyl Rubber by Carbon Black and Silica with the Aid of Their Dynamic Properties

Carbon black (N234) and silica (Vulksail N) with a silane coupling agent Si-69 were chosen as reinforcing fillers in butyl rubber (IIR). The rheological behavior of the IIR compounds and the dynamic mechanical properties of IIR vulcanizates were investigated with a rubber processing analyzer and dynamic mechanical analysis (DMA) to examine the filler dispersion in the rubber matrix and the interaction between filler and matrix. The data indicated that the N234 filled IIR compounds had more filler networks than those filled with silica. Filler networks first appeared at 30 phr N234 and 45 phr silica with silane coupling agent Si-69. The interaction between N234 and IIR was far stronger than that between silica and IIR. However, the silica Vulksail N filled IIR had better wet-grip and lower rolling resistance compared to the carbon black-filled IIR should IIR be chosen as a substitute of styrene-butadiene rubber (SBR) in tire tread. The reinforcing factor, R, R (related to the difference in tan d peak height at T_g for the filled and nonfilled rubbers), also demonstrated that the N234-IIR interaction was stronger than for the silica. IIR with 30 phr N234 exhibited the largest tensile strength, 20.1 MPa, for those vulcanizates examined. The tensile and tear strengths of N234 filled IIR were higher than those of IIR with similar amounts of silica. Thus, it was concluded that N234 is a more active reinforcing filler in IIR than silica (Vulksail N) even with a silane coupling agent (Si-69).     

Variation of the Payne Effect in Natural Rubber Reinforced by Graft-Modified Carbon Black

Carbon black (CB) was modified by liquid grafting and used for natural rubber (NR) reinforcement. Payne effects during NR reinforcement by the graft-modified carbon black (GCB) were analyzed in this paper. The results showed a proportional relationship between filler content and the Payne effect. Rubber compounds with GCB presented weaker Payne effects than their non-modified counterparts. Qualitative analysis of the correlation between filler network structure and filler content was conducted according to the relationship between bound rubber of a rubber compound and shear modulus. The impact of the storage period on the Payne effect was further studied, and the results demonstrated that the longer the storage period of the rubber compound, the stronger the Payne effect tended to be. The mechanisms by which the Payne effects were manifested differed according to the content of the filler in the rubber.     

利用SEM，XRD和FTIR研究四种化学预处理对楸木木屑酶解的影响

利用 NaOH ,Ca（OH）2,H2 SO4和 HCl 四种溶液对楸木木屑进行化学预处理,发现两种碱预处理均能显著提高楸木木屑的酶解效率。采用扫描电镜（SEM ）,X 射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱（FTIR）对四种化学预处理后的楸木木屑进行观察和分析。SEM 观察发现,四种化学预处理对楸木木屑的纤维表面均有不同程度的破坏与侵蚀,其中 Ca（OH）2的破坏效果最为明显。XRD 谱图表明,碱预处理对楸木木屑纤维素的非晶体结构产生破坏,导致其结晶度升高,而经过酸预处理后楸木木屑纤维素的结晶度没有明显变化。FTIR 谱图显示,酸碱预处理对楸木木屑中半纤维素和木质素的分子结构均有不同程度的破坏,碱预处理过程中木质素的高效溶出可能是楸木木屑酶解效率显著提高的主要原因。     

二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒红外漫反射光谱的测量与分析

用FTIR-FTS3000光谱仪和漫反射附件分别采集了二氧化硅纳米颗粒、炭黑纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒的不同配比的混合样品的红外漫反射光谱。通过对测量结果的分析,发现二氧化硅纳米颗粒的红外漫反射光谱较之体材料有蓝移和宽化现象,此现象可以用纳米粒子的小尺寸效应和量子尺寸效应来进行初步解释。而碳黑纳米颗粒因为其强吸光性的原因,实验中没有得到理想的光谱。混合样品中,碳黑纳米颗粒有一个最大吸收临界浓度,此时二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒的质量比是100∶20。在这个比例以内,碳黑纳米颗粒的特征峰位的F(R)函数与浓度符合朗伯-比尔定律。当碳黑纳米颗粒在体系中的含量超过这个比值,随着碳黑在体系中比例的增加,吸光度将不再增大。     

Effects of Carbon Black on Chain Mobility and Dynamic Mechanical Properties of Solution Polymerized Styrene-Butadiene Rubber

The structure of the bound rubber, the ¹H NMR (nuclear magnetic resonance) relaxation time, and the crosslink density of the physical network and the glass transition, were studied for solution polymerized styrene-butadiene rubber (SSBR) filled by carbon black, to investigate the effects of carbon black on the chain mobility and dynamic mechanical properties. It was found by ¹H NMR analysis that the rubber chains were adsorbed on the surface of carbon black to form physical crosslinks and restrict the mobility of the chains, especially for some high-mobility units such as chain ends. It was calculated, according to the molecular weight between adjacent crosslinks, that the main motion units of the tightly adsorbed chains appeared to be similar in size to the chain segments. The glass transition temperature (T _g) obtained by differential scanning calorimetry (DSC) could not be used to judge the effect of carbon black on chain mobility, while the appearance and change of the loss-tangent (tan δ) peak at high temperature in dynamic mechanical thermal spectrometry (DMTS) test showed that there were three chain states: free chains, loosely adsorbed chains, and tightly adsorbed chains. The dynamic rheology test showed that the unfilled SSBR compound had the rheological characteristics of entangled chain networks; however the nonlinear viscoelasticities of the filled SSBR were related to the gradual disentanglement of adsorbed chains and free chains. The peaks in tan δ vs. temperature curves implied that the motion unit size decreased with the increase of bound rubber content, and the modulus vs. temperature curve showed an apparently lower mobility of adsorbed chains than that of free chains through the very low dependence of modulus on temperature for the highly filled compounds. The extremely high tensile modulus of the vulcanizate with 63.6% carbon black at room temperature also implied that the adsorbed chains were in the glass state due to their restriction by the carbon black.