生物质纳米颗粒涂层的制备及其性能研究

作     者：王剑平 

作者单位：合肥学院 

学位级别：硕士

导师姓名：胡恩柱

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：生物质 碳量子点 聚酰亚胺 摩擦学性能 耐腐蚀性能 

摘      要：我国作为农业大国,年产生物质种类众多,如何实现其资源化利用成为国内外学者广泛关注的焦点。因此,本文以柠檬酸为碳源,制备出高荧光产量产率碳量子点(CQDs)。利用碳量子点的纳米球形颗粒结构,添加到自制的聚酰亚胺的基底材料中,制备出碳量子点/聚酰亚胺复合材料(CQDs/PI)。本文在UMT-2摩擦磨损试验机上探究了碳量子点/聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能及电化学性能,获得一定的研究结果,具体如下:(1)以柠檬酸为碳源,通过水热法制备了CQDs,对碳量子点的形貌与结构进行了表征与分析,其粒径分布区域在1～6 nm,(?)=2.8 nm。在XRD结果显示21°处出现一个波峰,表明所制备的CQDs中存在一定的石墨化碳,但以无定形态为主。(2)将所制备的碳量子点,添加到聚酰亚胺的前驱体—聚酰胺酸的合成过程中,后经过亚胺化成功制备CQDs/PI复合涂层,并探究其热、力学性能研究。经过热重曲线分析,添加碳量子点的复合涂层对聚酰亚胺的热稳定性几乎没有影响,能够保持良好的热稳定性。PI复合涂层的附着力随着碳量子点的增加而增强,其硬度也保持增加的规律。(3)CQDs/PI复合涂层摩擦学性能研究。在干摩擦环境时:(a)在低载荷25N及以下时,复合涂层的摩擦学性能随着碳量子点的增加而逐渐改变,使得摩擦学性能更优异,在高载荷35 N时复合涂层随着碳量子点的增加,摩擦学性能逐渐下降。(b)在载荷25 N、往复速度10 m/s条件下,在碳量子点的添加量为1 wt%时,复合涂层的平均摩擦系数相比于纯PI从0.372下降到了0.248,降低幅度为33%;磨损率同步从4.78×10 mm/(N·m)下降到了1.75×10 mm/(N·m),抗磨性能表现优异,磨损率降幅为63%。在纯水、海水润滑介质下:CQDs/PI涂层随着碳量子点的增加,磨损面积逐步增加,导致磨损率越来越大。利用扫描电镜、3D激光扫描显微镜对所制备材料摩擦后下试样磨痕的形貌、上试样陶瓷球进行系统表征。抗磨减摩机理归于摩擦过程中陶瓷球表面转移膜的形成,降低了摩擦副界面的直接接触。(4)CQDs/PI的耐腐蚀性能研究。电化学实验测试结果显示纯PI涂层电阻为3.88×10Ω,0.1 wt%CQDs/PI复合涂层电阻为1.61×10Ω,腐蚀电流从-0.49V负移到-0.51 V,表明PI涂层随着碳量子点的增加会使涂层的耐腐蚀性能下降。结合碳量子点结构表征,发现CQDs的表面有亲水性基团,易溶于水分子表现为极性,而PI涂层却表现为疏水性,分子表现为非极性,两者混合时相容性较差,导致CQDs容易团聚,且CQDs的团聚使得PI涂层表面及内部的微小空隙数量增加;使得腐蚀介质更容易通过这些空隙渗透到GGr15界面,降低了复合材料的腐蚀性能。