碳点的制备及其在丁腈橡胶中的应用研究

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本文选用两类碳源(柠檬酸和葡萄糖),通过微波法制备了两类官能团种类不同的碳点(Carbon dots,CDs),分别为CDs-CA和CDs-Glu。通过对这两类碳点进行表征,理解其结构差异,为后续分析理解荧光性质及机理奠定基础;测试这两类碳点的荧光发射光谱、改变其外部环境(pH值、金属离子)并观察其荧光性质的改变,了解其荧光机理。在这两类碳点的基础上通过改变合成原料的配比,将每一类碳点细化为5种碳点,继续深入研究其荧光性质的差异,深入理解荧光机理。将制备的碳点应用到丁腈橡胶中,探究碳点的加入对丁腈橡胶性质的影响。通过系统地比较这两类碳点可知,碳源的种类直接影响CDs表面官能团的类型。CDs-CA的表面官能团主要为羧基、氨基和酰胺基团,而CDs-Glu的表面官能团主要为羟基。CDs-CA和CDs-Glu的稀水溶液均表现出与激发波长有关的光致发光(PL)特性,而在不同的pH值下它们的PL特性不同。此外,它们均表现出对Fe3+和Cu2+的选择性和敏感性。当将Fe3+和Cu2+添加到CDs水溶液中时,PL强度降低,这被称为淬灭作用。Fe3+和Cu2+的浓度越高,淬灭效果就越明显。在此基础上研究CDs-CA体系中结构和性质的变化。结果表明,随着钝化剂尿素(urea)添加量的增加,红外光谱表明CDs-CA表面含有的氨基增多;拉曼光谱中ID/IG有降低的趋势,X射线衍射图谱峰位发生移动;紫外-可见吸收光谱的吸收峰也发生变化。表明urea的增加会引起碳核共轭结构及表面官能团的改变。在其荧光发射光谱中发现,随着urea的增加,CDs-CA的发射峰波长会有一定程度的右移、CDs-CA的发射强度变化复杂;这可能是归因于CDs-CA表面-NH2数量的增多,会形成复杂的发射陷阱,进而形成不同的表面状态。同时,研究了CDs-Glu体系中结构和性质的变化。随着KDP添加量的改变,其官能团种类和碳核的结构不会发生变化。从它们的荧光发射光谱中发现:KDP的添加量不会改变λem随λex的变化率,但是会改变CDs-Glu的发射强度变化;表明在不同的激发波长的刺激下,峰位的变化与共轭结构的变化趋势一致,而荧光强度的变化趋势与之无关,这可能由于荧光强度更倾向于官能团数量的影响。此外,本文将制备的碳点应用于丁腈橡胶,探究其对丁腈橡胶性质的影响。与纯NBR相比,NBR-CDs-CA和NBR-CDs-Glu都具有较高的强度,且保持高的拉断伸长率。通过添加CDs-Glu,玻璃化转变温度Tg升高,储能模量值增加。随着热空气老化时间延长,橡胶材料的拉伸强度总体降低,拉断伸长率降低,红外吸收峰强度降低,硬度增大,交联密度增大。但加入CDs-CA之后,这些趋势都被明显抑制,且随着CDs-CA用量越多,效果越显著。因此,CDs-CA可有效增强NBR的耐老化性能。
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