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题名:
多孔聚合物的制备及二氧化碳吸附、润滑油存储性能研究
作者: 张迪1,2
导师: 王廷梅 ; 王齐华
专业分类: 物理化学
关键词: 超交联聚合物 ; CO2吸附 ; 聚酰亚胺多孔材料 ; 流体润滑 ; 耐高温 ; Hypercrosslinked Polymers ; CO2 Adsorption ; Polyimide Porous Materials ; Fluid Lubrication ; High Temperature Resistance
摘要:

    多孔聚合物材料具有质轻、比表面积高、机械性能好、容易进行功能改性等优点,近年来得到广泛关注,在一些特殊领域可作为气体或液体的存储材料使用。根据材料孔径的大小,可以将多孔聚合物分为微孔有机聚合物,介孔聚合物和大孔聚合物。作为气体吸附材料,微孔有机聚合物孔径小于2 nm,与CO2分子的动力学直径匹配,而且具有高比表面积、高微孔体积、容易后修饰、化学性质稳定等优势,成为一种非常有潜力的新型CO2吸附多孔材料。其中超交联聚合物(HCPs)具有原料来源广泛、成本低、反应简单且条件温和等优点,成为人们的研究热点。然而,多数超交联聚合物的孔径分布较宽,比表面积及微孔体积较低,导致其CO2吸附性能相对较差。因此,设计并制备了一系列聚对亚苯基和三苯胺类超交联聚合物,并首次通过改变线型聚合物分子量或柔性交联剂空间结构实现对超交联聚合物比表面积及微孔体积的调控。而作为润滑油存储材料,多孔聚合物材料的孔径为0.1-2 μm时,具有良好的含油润滑性能,现已作为轴承保持架材料广泛应用于航天航空、军事系统等领域。然而,聚合物多孔轴承保持架材料存在几个关键性问题限制了轴承的使用寿命及运行精度:①耐高温性能较差,使用温度一般低于260 ℃。②材料的含油率与材料的含油保持率、机械性能往往不能同时达到最高值。因此,从分子设计及表面设计的角度出发,制备了一系列聚酰亚胺多孔材料,并通过改变聚酰亚胺的主链结构、表面性能及孔隙率来提高材料的耐高温性能、润滑油存储性能及摩擦磨损性能。取得了以下主要成果:

    (1)以四氯化碳(CCl4)和二甲氧基甲烷(DMM)为交联剂,通过编织聚对亚苯基线型聚合物制备超交联聚合物,并系统研究了线型聚合物分子量对HCPs孔性能的影响。结果表明,线型聚合物分子量是通过改变交联活性位点密度及聚合物分子链缠绕程度来影响HCPs孔性能的。随着线型聚合物分子量的增加,HCPs的比表面积均先增加后降低。与CCl4相比,DMM做交联剂时HCPs的比表面积更高。尤其当线型聚合物分子量较高时,该现象更为明显。所得材料中HCP-9-DMM的比表面积最高,为1019 m2/g,其CO2吸附量为93 mg/g。

    (2)以DMM及其类似物为交联剂,制备了一系列三苯胺类微孔有机聚合物(PTPAs),并系统研究了柔性交联剂空间结构对产物孔性能的影响。结果表明,与二官能度交联剂DMM相比,三官能度交联剂所制备的PTPAs的比表面积和微孔体积更高,孔径更小。PTPAs的比表面积为841-1543 m2/g,CO2吸附量为2.30-2.70 mmol/g(1.0 bar,273 K)。在273 K下,材料与CO2间的偶极-四极相互作用力是影响材料CO2吸附性能的主要因素;而在303 K下,材料的微孔体积和比表面积为主要影响因素。

    (3)首次通过冷压热烧结法制备热固性聚苯并咪唑酰亚胺多孔材料(PIBs),并系统研究了材料的机械性能、热性能以及含油润滑性能。结果表明,PIBs具有较高的机械性能和耐高温性能,且随着孔隙率的增加,材料的耐热性及机械性能降低。其中,孔隙率较高的PIB-1的玻璃化转变温度为312 ℃,抗拉强度为36.59 MPa,仍高于市面上常见的多孔聚酰亚胺轴承保持架材料。随着温度的升高,硅油填充聚酰亚胺多孔含油材料(PIBOs)的摩擦系数及磨损率均先降低后升高。即使当温度高达300 ℃时,PIBO-1的摩擦系数和磨损率仍较低,分别为0.033和1.80×10-6 mm3N-1m-1

    (4)首次使用氨基硅油(UMIDA)化学改性多孔聚酰亚胺块体材料,并系统研究了UMIDA对材料含油保持率的影响。结果表明,由于UMIDA与硅油化学结构相似,修饰后聚酰亚胺与硅油的接触角降低,硅油保持率增加。即使排除孔径的影响,材料的硅油保持率仍提高了23%。同时,修饰后,材料由亲水性变为疏水性,有利于降低水的侵蚀和溶胀作用,提高轴承的运行精度。

     (5)采用在0.025 m/s-1.875 m/s范围内连续改变转速的方法,研究边界及混合润滑区域转速、载荷、孔隙率对PIOs摩擦学性能的影响。结果表明,随着速度的增加,PIOs的摩擦系数先降低后增加。但增加载荷,PIOs的摩擦系数降低,且更容易进入弹性流体润滑区域。增加材料的孔隙率,将对PIOs的摩擦系数产生两种相反的影响。最佳孔隙率为18.61%。

授予地点: 北京
答辩日期: 2017-11-23
授予单位: 中国科学院大学
学位: 理学博士
所属部门: 先进润滑与防护材料研究发展中心
所属课题: 聚合物自润滑复合材料研究组
研究方向: 聚合物多孔材料
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.licp.ac.cn/handle/362003/22850
Appears in Collections:先进润滑与防护材料研究发展中心_学位论文

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201783张迪.pdf(10464KB)学位论文--暂不开放 联系获取全文

作者单位: 1.中国科学院兰州化学物理研究所
2.中国科学院大学

Recommended Citation:
张迪. 多孔聚合物的制备及二氧化碳吸附、润滑油存储性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017-11-23.
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