功能材料

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生物基静电纺丝纳米纤维膜在水处理中的应用

李亢悔, 蔡佳伟, 张自航, 陶江涛, 吴加龙, 曾诗喻瑶, 吴述平

功能材料. 2021, 52(9): 9001-9008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.001

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膜分离技术作为一项21世纪新兴的高效分离技术,具有高效、节能、环保、易于操作、出水水质好等特点,在环境水处理领域有着巨大的应用前景。静电纺丝纳米纤维膜因其高孔隙率、高通量、比表面积大等独特的性质,从而成为膜分离技术的一个重要发展方向。介绍了以生物基聚合物如纤维素、壳聚糖、木质素、淀粉、海藻酸盐等为原料的静电纺丝纳米纤维膜的研究进展和应用现状,并展望了其在水处理领域的发展趋势和研究方向。

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非生物催化可植入葡萄糖燃料电池研究进展

马泽, 董旭峰, 黄昊, 齐民

功能材料. 2021, 52(9): 9009-9016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.002

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葡萄糖燃料电池作为一种供能装置,可将葡萄糖中稳定的化学能转化为电能。当这一装置植入体内,可为人体内的电子医疗设备供电。可植入葡萄糖燃料电池要求电极材料具有长期稳定性和高效专一性。人体液环境中的葡萄糖催化是影响此类燃料电池可植入化的关键。对不同电极材料进行归纳总结,着重介绍非生物电极材料用作可植入葡萄糖燃料电池电极的优缺点,对存在的问题和挑战进行分析,并对其应用前景进行展望。

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微纳米颗粒/硬脂酸超疏水涂层的仿生构建及其性能研究

余德密, 徐亦冬, 黄佳敏, 陈伟

功能材料. 2021, 52(9): 9017-9023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.003

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通过一步喷涂法将微纳米表面构建与低表面能物质修饰相结合,制备了超疏水仿生涂层;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结不同涂敷方式对涂层的性能影响;测定了不同粉体种类与浓度下涂层的疏水性能差异,分析评价其对涂层疏水性能的影响;优选涂层材料配比对混凝土试块进行疏水改性,并测试其防污性能;通过LW-AB法表面能计算,探讨了涂层粗糙度与表面能之间的关系,并使用SEM对其表面微观形貌进行了表征。结果表明,在添加微纳米颗粒的情况下,喷涂制备的涂层接触角比浸涂制备的涂层大1/3左右,滚动角比浸涂制备的涂层小85%以上,体现了较好的疏水性能;涂层的疏水性能受表面能与粗糙度的影响,且随着硬脂酸浓度的增加、粉体浓度的增加与粉体颗粒粒径的减小,涂层的疏水性能呈增强的趋势,接触角达到165.27°,滚动角低至0.9°;经过超疏水处理后,混凝土试块表现出明显的防污与自清洁性能;表面能计算表明,在添加同样硬脂酸含量的条件下,随着粗糙度的增加,涂层表面的降低至4.89 mJ/m²,仅为纯硬脂酸涂层的26.84%。

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新型萘二甲酰亚胺基半导体/绝缘聚合物共混薄膜的微结构和电荷传输研究

张悦, 周涵, 张发培

功能材料. 2021, 52(9): 9024-9031. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.004

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采用新型萘二甲酰亚胺基半导体聚合物FN2200与绝缘聚合物聚苯乙烯(PS)通过溶液相共混,并采用旋涂法制备共混薄膜的有机场效应晶体管(OFET)。发现在FN2200中加入少量PS可显著提升共混薄膜器件的电子迁移率,然而随着PS含量的增加,载流子迁移率将急剧降低。通过氧等离子体刻蚀结合紫外-可见光吸收谱测量发现,FN2200/PS共混薄膜存在清晰的相分离结构,FN2200组分富集在在薄膜表面层而PS成分沉积在薄膜底部区。掠入射X射线衍射(GIXRD)结果发现,在FN2200中添加PS成分促使FN2200骨架链倾向于采取edge-on堆积方式,有利于载流子沿有机/介电层界面的横向传输。基于薄膜微结构表征结果,系统地解释了共混薄膜的OFET性能随PS含量的变化关系和内在机制。

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异丙基三油酸酰氧基钛酸酯改性纳米纤维素阻隔涂层的制备及性能

朱潇敏, 郭玉婷, 杭建忠, 郑闪闪, 孙小英, 金鹿江

功能材料. 2021, 52(9): 9032-9037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.005

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采用异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(KR-TTS)为改性剂,对纳米纤维素(CNF)材料进行改性处理,然后将它涂布于A4纸表面,经烘烤固化制成KR-TTS改性纳米纤维素阻隔涂层。采用接触角测量仪及电子拉力机对空白纸、纳米纤维素纸张涂层(CNF涂层)以及采用不同KR-TTS/CNF质量比改性的纳米纤维素纸张涂层(K-CNF涂层)的疏水性能及力学性能进行了表征。结果显示,KR-TTS/CNF质量比为1∶1的 K-CNF涂层对水的接触角最大,为113.4°,相比于CNF涂层提高了98.4°,具有较强的疏水性。该涂层的拉伸强度、杨氏模量和韧性相比于CNF涂层分别提高了156.73%、101.69%和430.41%,显示出了强的力学性能。涂层阻隔性能测试结果表明,KR-TTS/CNF质量比为1∶1改性涂层空气透气度达25 234 s/25 cm³,相比于CNF涂层降低46.65倍;水蒸气透过率为1 203.67 g/m²·24 h,相比于CNF涂层下降了73.47%,阻隔性能比较强。另外,改性涂层的SEM照片显示,缠绕紧致的三维网络构造填补了CNF涂层中未填充的空间,形成了具有强大阻隔性及韧性的致密涂层。

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纤维素基材料负载金属纳米粒子催化降解研究进展

李宇航, 王聪, 曹慧, 栾云浩, 刘婉嫕, 刘鹏涛

功能材料. 2021, 52(9): 9038-9042. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.006

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由于金属纳米粒子具有高催化活性、反应选择性和易于制备等特点,其被认为是化学反应中的优异催化剂,但存在着高成本、难分离、易团聚、不可回收再利用等缺点。纤维素是迄今最丰富的可再生天然聚合物,广泛存在于高等植物、动物及细菌中,而又由于其高比表面积、较好的稳定性及化学可修饰性,因此纤维素基材料可以作为金属纳米粒子的良好载体。对近年来纤维素基材料负载金属纳米粒子催化剂的制备及催化性能进行了综述,以便有关科研人员了解多方位的有效尝试方法和探讨的途径。

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基于MOFs超级电容器电极材料研究进展

顾波, 秦志宏, 杨小芹, 陈强

功能材料. 2021, 52(9): 9043-9050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.007

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超级电容器作为一类新型能源转化存储元件,在能源需求迫切增长的今天备受瞩目,而电极材料的研发则对超级电容器最终性能起着至关重要的作用。金属有机骨架(MOFs)因具备比表面积可观,活性位点丰富,孔径分布可控,易于合成等显著优势,可作为一种优良的电极材料。分别就MOFs,MOFs衍生物以及MOFs复合材料在超级电容器领域的最新研究进展进行了阐述,并展望了MOFs基电极材料未来的研究方向。

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超低密度CHO泡沫结构与力学性能研究

李喆媛, 张庆军, 陈姝帆, 李波, 杨军校

功能材料. 2021, 52(9): 9051-9054. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.008

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基于溶胶-凝胶技术,通过不同的干燥方式,制备了3种10 mg/cm³的CHO泡沫,并对泡沫的显微形貌、孔结构分布以及力学性能进行了测试分析。结果表明,通过超临界干燥技术制备得到的三乙酸纤维素(TAC)泡沫力学性能最佳,其弹性模量为3.50×10⁴ Pa,冷冻干燥制得的TAC泡沫弹性模量为3.38×10⁴ Pa,冷冻干燥获得的TMPTA(聚三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)泡沫力学性能最差,其弹性模量仅为0.36 ×10⁴ Pa。超临界干燥TAC泡沫中的孔径较小(数纳米至十几纳米量级),孔径分布较为均匀。冷冻干燥的TAC泡沫孔径增大(几十纳米量级),孔径分布较宽。冷冻干燥的TMPTA泡沫孔径最大(百纳米量级孔洞大幅增加),孔径分布最宽。

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共轭电纺法制备聚乳酸纳米纤维能源纱线及其应用

张德伟, 杨伟峰, 张青红, 李耀刚, 侯成义, 王宏志

功能材料. 2021, 52(9): 9055-9061. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.009

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随着柔性电子产品的快速发展,人们对可穿戴能源技术的需求也愈加迫切。摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)和纺织材料结合的织物电子器件,在生物运动能量收集和多功能自供电传感器中展示出广阔的应用前景。在这里,我们通过共轭电纺丝法制备了柔性聚乳酸(Polylactic acid, PLA)纳米纤维能源纱线,讨论了纺纱参数(涡流场、静电场、速度场)对纱线形成和电学性能的影响。实验结果表明,能源纱线具有2 400 MPa的断裂强度和135°的疏水接触角,能保护芯电极稳定工作。结合能源纱线的自发电模式设计了触觉传感映射矩阵,,实现了实时触觉映射。此外,将能源纱线编织成的柔性发电织物,在人体1 Hz的低频运动下(外部负载100 MΩ时),发电织物的最大峰值功率密度为100 mW/m²,能驱动LED灯珠和液晶显示屏。这种基于共轭纺丝的纱线制备方式为下一代电子织物的设计提供了新思路。

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锆镍掺杂量及烧结温度对M型钡铁氧体吸波性能的影响

刘初阳, 曹宇凡, 江涛, 方罡, 彭康森

功能材料. 2021, 52(9): 9062-9070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.010

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利用溶胶-凝胶法,在1 200~1 400 ℃烧结制备了Zr⁴⁺-Ni²⁺共掺杂钡铁氧体Ba(ZrNi)_xFe_12-2xO₁₉(x=0.6~0.9),研究了掺杂量及烧结温度对M型钡铁氧体晶相结构、微观形貌、电磁性能和吸波性能的影响。结果表明随着锆镍掺杂量和烧结温度的增加,样品的晶体结构和化学成分不发生变化,都形成了片状的单相锆镍掺杂钡铁氧体。晶粒尺寸随掺杂量增加几乎不变化而随烧结温度提高逐渐从100~300 nm增加到1~2 mm。所有样品中均可观察到多自然共振峰,自然共振强度随掺杂量的增加整体呈下降的趋势,而介电常数随烧结温度升高会显著增加。最终,1 400 ℃烧结的掺杂量x=0.6的样品可获得最优异的吸波性能,在匹配厚度3.25 mm下,最小反射损耗为-16.4dB, 同时有效吸波频宽可达5.22 GHz(8.62~13.84 GHz)。

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不同阶段纳米多孔银的制备及其HER电催化性能研究

赵子君, 张棣尧, 刘馨忆, 王旭, 吴明

功能材料. 2021, 52(9): 9071-9077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.011

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用Ag₁₅Cu₈₅二元合金薄带为前驱体,采用高温氧化预处理脱合金的方法制备不同阶段的纳米多孔银。在650 ℃下,进行高温氧化处理,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对试样进行物相分析和形貌表征。对高温氧化后的前驱体脱合金15～60 min,制备不同阶段的纳米多孔银,使用开路电位(OCP)、线性扫描伏安(LSV)、动电位极化曲线等方法测试了不同阶段的纳米多孔银电极的抗毒性能和电催化析氢性能。结果表明,经过3 min高温氧化后脱合金15 min阶段的纳米多孔银电极具有最佳的电极抗毒性能,E_corr为-0.088 V,i_corr为1.2×10^-7 A/cm²; 经过1 min高温氧化后脱合金30 min阶段的纳米多孔银电极展现了最低的Tafel斜率(45.8 mV/dec);在10 mA/cm²电流密度下,经过3 min高温氧化后脱合金60 min阶段的纳米多孔银电极析氢过电位为37.6 mV,经过3 min高温氧化后脱合金15 min阶段的纳米多孔银电极的综合HER性能最好。

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硅烷改性交联聚醚凝胶电解质的制备及性能研究

冯昌浩, 高允琪, 张旭, 王成良, 王庆富

功能材料. 2021, 52(9): 9078-9082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.012

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合成了硅氧烷封端的聚氧化乙烯,并通过硅氧键交联的方法制备了柔性且兼具优异拉伸强度的自支撑膜材料。将其与LiPF₆电解液配合制备了凝胶型聚合物电解质,并研究了其电化学性能。研究发现,该凝胶型聚合物电解质室温电导率相比商用隔膜(celgard 2500)有着一定提升,达到1.36×10^-3 S/cm(30 ℃)。线性扫描测试其电化学稳定性达到4.2 V(vs Li⁺/Li)。Li/LiFePO₄电池性能首次放电容量达到134.3 mAh/g(0.5C,25 ℃),充放电循环200圈后未发现明显容量损失,且在大倍率充放电(2C,25 ℃)测试下,放电比容量仍具有118.5 mAh/g,具有出色的倍率性能。结果表明,该硅烷改性交联聚醚凝胶电解质具有较好的研究和应用前景。

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V₂C@MoS₂复合材料的制备及其储锂性能研究

李博, 胡宪伟, 李卓, 王晓丽, 石忠宁, 王兆文

功能材料. 2021, 52(9): 9083-9088. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.013

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由于较高的理论容量,二硫化钼(MoS₂)是一种具有良好应用前景的锂离子电池负极材料;然而其也存在导电性较差和结构不稳定等问题。本文采用一步水热法将MoS₂原位生长在V₂C-MXene的表面,制备出了V₂C@MoS₂复合材料。利用XRD、SEM、TEM对制备的复合材料进行了结构表征,并采用循环伏安(CV)法、恒电流充放电法和交流阻抗法分析了该复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明,实验制得了结晶度良好的MoS₂纳米片,且均匀的负载在V₂C的表面;同时,掺杂的V₂C极大地提高了复合材料的导电性和结构稳定性,使V₂C@MoS₂作为锂离子电池负极材料表现出了优异的电化学性能,在50mA/g的电流密度下,循环50次后依然能保持524.4 mAh/g的可逆比容量,并且在1 A/g的大电流密度下,依然具有258.1 mAh/g的可逆比容量。

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苯并二噻吩二酮为核的A-D-A′-D-A型小分子太阳能电池受体材料的合成与性能研究

王梅, 李宇翔, 王英英, 孙道通, 秦红梅, 杨建业

功能材料. 2021, 52(9): 9089-9094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.014

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近年来,有机稠环化合物在太阳能领域取得了突破性进展。本文采用非共价键构建稠环化合物的策略设计合成了两个以苯并二噻吩二酮为中心核,双氰基茚满二酮或二氟双氰基茚满二酮为端基的A-D-A′-D-A型共轭小分子BDD-IC和BDD-IC4F。通过紫外-可见吸收光谱、电化学循环伏安法及密度泛函理论(DFT)计算对其光物理和电化学性质进行了研究,同时以这两个小分子作为受体材料制备了全小分子有机太阳能电池器件,研究了其光伏特性。研究结果表明,有氟取代的小分子BDD-IC4F比BDD-IC具有更宽的光学吸收,更深的HOMO和LUMO能级以及更高的热力学稳定性,基于BDD-IC4F的光伏器件获得了0.21 %的光电转换效率。

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聚苯胺纳米点包覆LiNi_0.8Co_0.15Mn_0.05O₂正极材料的电化学性能研究

李建营, 李绍敏, 杨茂夏, 赵佰庆, 刘昊

功能材料. 2021, 52(9): 9095-9101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.015

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目前高镍材料存在长循环寿命差、安全性能低等问题。表面包覆是提升高镍材料电化学性能的有效手段。本文通过具有导电特性的高分子聚苯胺纳米点包覆高镍正极材料LiNi_0.8Co_0.15Mn_0.05O₂从而提高其循环性能。包覆后的材料在0.2C倍率下100圈循环后容量为184.1 mAh/g,保持率为95.7%。1C倍率下循环100圈后容量为156.3 mAh/g,保持率为88.3%。可见纳米点PANI包覆NCM能提高高镍材料的循环稳定性。实验表明材料循环性能提高的原因在于聚苯胺纳米点包覆可以抑制材料表面副反应的发生以及H2-H3结构相变。

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酰化胶原溶液的流变行为研究

李从虎, 龙槿彦, 吴彦, 胡佳慧, 李国英, 李文娟

功能材料. 2021, 52(9): 9102-9108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.016

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应用流变学的方法研究了酰化胶原溶液的流体力学性能。结果表明,酰化胶原溶液属于假塑性流体,随着剪切速率的增大,表现出明显的剪切变稀行为。当温度从25 ℃升高到30 ℃,酰化胶原分子的热运动增加,分子间的物理缠结逐渐降低,导致酰化胶原溶液的剪切粘度、弹性模量(G′)、粘性模量(G″)和复数粘度逐渐降低,而损耗因子却不断升高。酰化胶原溶液的柔量随温度升高而升高,表明其抵抗变形的能力逐渐降低。基于数学模型的拟合结果表明,幂律方程、Carreau和Cross方程可有效描述溶液的稳态测试曲线,Lenovo、Burger和Herschel-Bulkley方程分别对动态频率、蠕变和触变曲线具有较好的拟合效果。

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新型掺氮金刚石薄膜结构及CO₂电化学还原性能研究

程相岩, 王兵, 熊鹰

功能材料. 2021, 52(9): 9109-9113. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.017

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掺氮金刚石薄膜不仅同已被广泛研究的掺硼金刚石(BDD)薄膜一样拥有优异的电化学性能,而且具有更加丰富的的结构和物相组成,是一种十分有潜力的CO₂电化学还原电极材料。本文采用微波等离子体化学沉积技术通过改变沉积温度(750和850 ℃)制备获得两种形态结构及组成特点显著不同的新型掺氮金刚石薄膜,SEM、XRD分析表明750 ℃下生长的薄膜仅含金刚石相且晶粒尺寸在30 nm以下,晶界占比极大,结合Raman光谱图中宽化的D峰和G峰,表明所得膜材为典型的掺氮超纳米金刚石膜(UNCD);而850 ℃制备的薄膜由金刚石和石墨相组成,极薄的石墨片垂直交叉排列呈“蜂窝”状,尺寸极小金刚石晶粒分布于蜂孔内,为典型的掺氮超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜(UNCD/MLG)。电化学测试结果显示,两种新型掺氮金刚石薄膜均具有宽的电势窗(~3 V),可以有效地抑制CO₂还原的析氢竞争反应;同时两种电极都可以有效电催化还原CO₂,生成甲酸和CO,甲酸和CO最大法拉第效率分别为38.37%和15.32%。其中850 ℃生长的UNCD/MLG薄膜具有更好的电化学活性,更高的CO法拉第效率并可产生多电子转移产物甲烷。这得益于其本身“蜂巢”状结构不仅使表面积极大地增加,同时适中的sp³-C/sp²-C比例可以有效结合CO₂还原的中间体,增加了产物的多样性。对于掺氮金刚石薄膜材料而言,这种由掺氮超纳米金刚石和多层石墨烯组成的具有丰富孔洞结构的复合膜是一种更有潜力的电催化CO₂还原电极材料。

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一步绿色室温搅拌法合成银/氧化石墨烯复合材料及其催化性能研究

韩兴威, 潘慧莹, 郭帅

功能材料. 2021, 52(9): 9114-9120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.018

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采用一步室温搅拌法,以氧化石墨烯(GO)和AgNO₃为原料,在不添加任何还原剂和形貌控制剂的条件下,利用GO和Ag⁺的氧化还原电势差实现了银/氧化石墨烯(Ag/GO)纳米复合材料的绿色制备。采用SEM、TEM、FT-IR、XRD、UV-Vis、Raman和XPS对分别对所得Ag/GO纳米复合材料的形貌、结构进行了表征。产物中Ag纳米颗粒的平均粒径为6.5 nm,且在GO表面均匀分布。并以4-硝基苯酚的催化还原反应和甲基蓝的催化降解过程为模型考察了所制备的Ag/GO的催化性能。所得Ag/GO纳米复合材料在上述催化过程中表现优异,两个催化模型均遵循一级催化动力学反应规律,对应的一级催化动力学常数分别为0.8678 和0.4105 min^-1,均高于现有报道中的同类材料。本文所报道的材料制备方法绿色、简便,具有推广价值,所得材料催化性能优异,在工业催化和环保领域具有广阔的应用前景。

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Zn掺杂对镁锂合金物相结构及力学性能影响的研究

黄劲松, 刘鑫

功能材料. 2021, 52(9): 9121-9125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.019

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从Mg-5Li-0.5Y出发,制备了不同Zn掺杂比例(0,0.3%,0.5%,1.0%)(质量分数)的镁锂合金材料,研究了Zn掺杂比例对镁锂合金微观结构和力学性能的影响。通过XRD、SEM和力学性能测试等对不同Zn掺杂比例的镁锂合金的物相结构、断面相貌和拉伸性能等进行了表征。结果表明,合金主要由α-Mg和β-Li相组成,为典型的α+β双相结构,随着Zn的掺入,合金中出现了Mg₁₂ZnY的衍射峰;所有合金的晶粒都比较均匀细密,尺寸约在5 μm左右,Zn的加入改善了合金的微观结构,使晶粒更细化,晶界更光滑,且改善了α-Mg相和β-Li相的分布;随着Zn含量的增加,合金的抗拉强度和屈服强度都呈现出先增大后降低的趋势,而断裂延伸率呈现出逐渐上升的趋势。当Zn的含量为0.5%(质量分数)时,合金的抗拉强度和屈服强度达到最大值,分别为136和125 MPa;当Zn的含量为1.0%(质量分数)时,合金的断裂延伸率达到最大值,为10.7%;Zn的掺入导致合金的晶粒尺寸出现了明显的细化,合金断裂方式为韧性断裂。当Zn的含量为0.5wt%时,合金的力学性能改善效果最好,而继续增加Zn含量,合金断口处颗粒物增多,导致晶体中出现了较多的缺陷和杂质,使得合金的力学性能下降。

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采用间接拉伸蠕变试验评价沥青混合料低温抗裂性能

银花, 高世强

功能材料. 2021, 52(9): 9126-9130. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.020

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为深入评价沥青混合料的低温抗裂性能,对3种(粗、中和细)级配AC-20沥青混合料进行了3个温度(0,-10和-20 ℃)条件下的间接拉伸低温蠕变试验。根据幂函数模型计算得到了沥青混合料的低温蠕变柔量,并基于时-温等效原理,以-10 ℃为参考温度建立了幂函数模型蠕变柔量主曲线,分析了沥青混合料的低温蠕变性能和低温抗裂性能。结果表明,温度在0 ℃时,中间级配混合料的低温抗裂性能最好,而随着温度降低到-20 ℃时,粗级配混合料的低温抗裂性能变最好;采用幂函数模型能够较好地描述沥青混合料扩宽时间域的低温蠕变柔量主曲线,其参数幂指数m能较好地表示沥青混合料的低温松弛能力,在宽时间域内,细级配混合料的低温松弛性能增大,相应的其低温抗裂性也最好。

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玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料的制备及性能研究

李小朋

功能材料. 2021, 52(9): 9131-9135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.021

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通过预混法制备了不同玻璃纤维(0%,3%,6%,9%质量分数)掺量的玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料,对该发泡材料的应力/应变、抗压强度、粉化率、导热系数和热稳定性等进行了分析。结果表明,随着玻璃纤维掺量的增加,玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料的应力/应变、抗压强度、质量损失率和热失重逐渐增大,粉化率逐渐降低,而导热系数无明显变化。当玻璃纤维的掺量为9%(质量分数)时,发泡材料的应变达到0.1,应力达到594 MPa,对应的抗压强度达到最大为497 MPa,与不掺杂玻璃纤维的样品相比提高了152.3%。当玻璃纤维的掺量从3%(质量分数)增加到6%(质量分数)时,发泡材料的粉化率降低了33.0%;当玻璃纤维的掺量从6%(质量分数)增加到9%(质量分数)时,发泡材料的粉化率降低了8.5%。4种玻璃纤维-磷酸盐保温发泡材料经过不燃性测试后,形貌和体积的变化不大,只是表面出现炭化现象,发泡材料的导热系数与玻璃纤维的掺量并无明显关系。

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β相区热加工对原位TiB增强钛基复合材料组织和力学性能的影响

刘壮, 马凤仓, 刘平, 刘新宽, 李伟, 张珂

功能材料. 2021, 52(9): 9136-9141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.022

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采用原位技术制备了体积分数5%的TiB增强钛基复合材料(Ti-6Al-5Zr-0.8Si)。通过光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM)和室温拉伸等实验手段研究了不同变形量(n=1.71,2.12,2.53)热加工后复合材料的组织和力学性能。结果表明:随着变形量的增加,沿轧制方向的小角度TiB晶须密度快速增加,TiB纤维长径比逐渐降低。相比于铸态的复合材料,热加工后(n=2.53)纤维的分布密度值(θ接近于0)提高了约6.4倍,长径比降低了约59%;复合材料的原始β晶粒和α板条块尺寸随着变形量的增加而减小。热加工后(n=2.53)的β晶粒尺寸约为铸态晶粒尺寸的1/5。室温拉伸试验数据表明,相比于铸态复合材料,热加工后的复合材料(n=2.53)的屈服强度提高了约16%。时效热处理后复合材料内部析出了两种形态的硅化物沉淀,在两种增强体的强化作用下,复合材料的屈服强度比铸态提高了约21%。

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球形纳米ZnO在棉织物上的可控生长及Bi-Cu掺杂对其性能的影响

曹刘奇, 王黎明, 徐丽慧, 沈勇, 郝慧敏

功能材料. 2021, 52(9): 9142-9147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.023

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采用凝胶-水热法,以乙酸锌和六亚甲基四胺为原料,柠檬酸为形貌控制剂于低温水热条件下在棉织物表面生长出球形纳米ZnO,并利用金属铋(Bi)、铜(Cu)对ZnO纳米球进行掺杂。采用SEM、XRD、XPS等对样品进行表征,并对负载ZnO纳米球的棉织物进行了光催化和抗紫外性能测试。结果表明:在60 min内对亚甲基蓝溶液的降解率达到99.99%,3%Bi-5%Cu掺杂的纳米ZnO棉织物的UVA和UVB分别达到2.56%和0.09%,UPF值为375.43。

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衬底温度对磁控溅射ZrN薄膜结构和物理性能的影响

高洁, 姚威振, 杨少延, 魏洁, 李成明, 魏鸿源

功能材料. 2021, 52(9): 9148-9153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.024

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采用直流反应磁控溅射法在Si(111)衬底上制备了ZrN薄膜,通过X射线衍射仪、拉曼光谱仪、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜以及霍尔测量等测试分析手段表征了薄膜的微观结构、表面形貌及电学性能。结果表明,制备的ZrN薄膜为立方相NaCl结构,具有(111)面择优取向。在T_s=550~650 ℃时,薄膜的结晶性最佳。薄膜呈柱状生长,晶粒尺寸会随着衬底温度的升高先增大后减小,当T_s=550~750 ℃时,表面出现三角锥状晶粒。制备的ZrN薄膜表面较为平整,表面粗糙度在3.9~6.67 nm之间。测得薄膜的电阻率大小在1.43~24.5×10^-3 Ω·cm之间,且电阻率与薄膜的结晶性以及晶粒尺寸相关;薄膜的载流子浓度在0.869~4.38×10²⁰ cm^-3之间,T_s=550~650 ℃的薄膜电学性能较好。

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双组分植物精油/凹凸棒石杂化材料的制备及其抗菌活性

钟火清, 闫盆吉, 牟斌, 杨芳芳, 惠爱平, 王爱勤

功能材料. 2021, 52(9): 9154-9159. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.025

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在香芹酚/凹凸棒石复合材料基础上,利用不同精油活性成分的协同抗菌效应,通过机械力化学法构筑了6种双组分植物精油/凹凸棒石杂化抗菌材料。研究表明,引入百里香酚、香芹酮、薄荷醇和伞花烃提升了植物精油的稳定性。密度泛函理论计算结果表明,稳定性的差异主要取决于不同精油分子与凹凸棒石的作用位点。抑菌性能测试表明,植物精油复合可有效提升香芹酚/凹凸棒石杂化材料的抗菌活性,除引入薄荷醇和柠檬烯的杂化材料外,其它双组分植物精油杂化材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度分别为1.0 mg/mL和0.5 mg/mL。

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硝酸铈微胶囊对铝合金表面涂层防护性能的影响

李婷, 张颖君, 窦宝捷, 王兆华, 崔学军, 何刚

功能材料. 2021, 52(9): 9160-9166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.026

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将铝合金的缓蚀剂硝酸铈作为囊芯,将脲醛树脂作为囊壁,采用反向乳液聚合的方法合成硝酸铈微胶囊。采用扫描电镜、光学显微镜、红外光谱、热重分析仪对微胶囊进行表征。将合成的微胶囊加入环氧树脂中在铝合金表面制备涂层,并利用电化学阻抗对完好及带划痕的涂层的防护性能进行研究。结果表明:利用反向乳液聚合法可成功合成包覆硝酸铈的微胶囊;添加硝酸铈微胶囊的完好涂层在浸泡1 700 h后的阻抗值在1.5×10⁸Ω·cm²,而环氧清漆及添加硝酸铈涂层的阻抗值均低于10⁸ Ω·cm²;带划痕涂层在浸泡288小时后,添加硝酸铈微胶囊的阻抗值为1.9×10⁷ Ω·cm²,而环氧清漆及添加硝酸铈涂层的阻抗值分别在1.1×10⁷ Ω·cm²、8.6×10⁶ Ω·cm²,因此加入硝酸铈微胶囊的涂层比直接加入硝酸铈的涂层及环氧清漆涂层有更优的防腐性能。

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PTA-IA-AMPS三元功能共聚物的合成及缓蚀阻垢性能研究

赵一, 李宾, 袁晓, 柳翠, 沈春银, 戴干策

功能材料. 2021, 52(9): 9167-9173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.027

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以马来酸酐(MA)、乙醇胺(EA)、衣康酸(IA)以及2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)为单体,过硫酸铵和次亚磷酸钠为引发剂,采用水溶液自由基聚合制备PTA-IA-AMPS三元功能共聚物。通过正交优化和验证实验确定最佳合成条件。采用静态阻垢法和旋转挂片法分别测试合成产物的阻垢和缓蚀性能。结果表明,共聚单体的摩尔比(n_IA∶n_PTA∶n_AMPS)为2.5∶1∶0.1、引发剂过硫酸铵和次亚磷酸钠用量分别为单体总质量的8%和20%、反应温度为90 ℃且反应时间4 h,合成的PTA-IA-AMPS共聚物性能最佳;用量为30 mg/L时,阻垢率可达90.83%,缓蚀率99.40%,属于抑制阴极为主的阴极型缓蚀剂,性能优良。

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无溶剂自乳化水性聚氨酯改性水泥复合材料的性能研究

许杨楠, 王熙, 吴若冰

功能材料. 2021, 52(9): 9174-9182. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.028

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普通的水泥混凝土属于脆性材料,可能会存在内部结构不均匀、耐久性差等缺陷。水性聚氨酯作为一种新型聚合物材料,与水泥具有很好的适应性,可以有效的解决这些问题。通过宏观和微观手段重点研究水性聚氨酯对水泥混凝土基本性能的影响,结果表明:水性聚氨酯的加入,在一定掺量时,可以减小吸水率,改善混凝土的孔隙结构,提高密实性,在一定程度上可以提高水泥浆体的抗折强度,但对抗压强度有抑制作用。整体上来讲,无溶剂自乳化水性聚氨酯在R值(IPDI和PPG的摩尔比)为1.8~2.3和掺量3%时性能最优。

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C/Ru共掺杂金红石型TiO₂对甲醛光学气敏特性的影响

牟芷瑶, 冯庆, 付岳, 高鑫, 朱洪强

功能材料. 2021, 52(9): 9183-9190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.029

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光学气敏效应是材料表面与探测气体的相互作用引起材料光学性质变化,从而探测到气体含量,是一种高灵敏度、可靠的检测气体含量的方法。金属氧化物半导体由于禁带附近的电子性质活跃,常被作为光学气敏材料。甲醛(HCHO)是一种房间装修过程中常见的室内空气污染物,是室内气体环境主要污染源。本文通过在金红石型TiO₂(110)表面分别掺杂C、Ru和共掺C/Ru元素,分析表面吸附甲醛分子的光学气敏性质变化的原因,发现杂质元素的2p和4d电子协同作用,使材料气敏特性显著提高。利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,分析材料表面结构、态密度、电荷布居、光学性质以及选择性。研究发现,在HCHO气体环境下,杂质元素增强了金红石表面的氧化性,而C/Ru共掺杂的体系表面光学气敏效应最显著。C/Ru共掺杂使材料表面有更佳的光学气敏传感特性,对低浓度HCHO的灵敏探测是一种有效的探测方法。

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Co₃O₄/MoS₂@TM异质结电极的制备及其析氧性能研究

卫学玲, 包维维, 蒋鹏, 艾桃桃, 李文虎, 邹祥宇

功能材料. 2021, 52(9): 9191-9195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.030

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电解水是一项有前景的大规模生产绿色氢能的技术。然而由于析氧反应(OER)的内在动力学缓慢,阻碍了这种能量转换技术的发展。这就需要高活性且稳定的电催化剂。因此本文采用简单的两步水热合成法在钛网上构筑了具有自支撑的异质结构Co₃O₄/MoS₂。所制备的Co₃O₄/MoS₂异质结催化剂在1 M KOH溶液中具有优异的OER催化性能,当电流密度达到10 mA·cm^-2时,所需过电势为306 mV,相应的塔菲尔(Tafel)斜率为51 mV dec^-1。催化剂表现出优异的OER催化活性源于异质结构以及Co₃O₄和MoS₂的协同作用。本工作为合理设计高效、低廉的复合型催化剂提供了有效的策略。

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硫铝酸盐水泥基高性能混凝土的制备及性能研究

闵红霞

功能材料. 2021, 52(9): 9196-9201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.031

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采用硫铝酸盐水泥,根据设计配比,配制了硫铝酸盐水泥基高性能混凝土,探究了硫铝酸盐水泥不同掺量(0,3%,6%和9%(质量分数))对高性能混凝土力学性能(抗压强度)和耐久性能(侵蚀性)的影响。通过XRD、SEM、热分析和力学性能分析等对硫铝酸盐水泥基高性能混凝土进行了表征。结果表明,随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,钙矾石(AFt)的衍射峰逐渐增强,水化反应加快,高性能混凝土的结构变得更加致密;所有试样中的六方板状的Ca(OH)₂均比较厚,且呈现出片层状,整体结构的致密性比较接近,而随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,整体的密度有变得蓬松的趋势;随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,CH的含量增加,前期的水化放热能力得到提高,所有试样在3和28 d时的抗压强度均呈现出逐渐增大的趋势,当硫铝酸盐水泥的掺量为9%时,试样的抗压强度在28 d达到了最大值41.1 MPa,相比3 d增加了19.83%;随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,高性能混凝土试样的强度损失逐渐增加,耐久性变差,当硫铝酸盐水泥的掺量为9%时,腐蚀90 d的强度损失率达到了最大值10.3%。

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PVA/P(AA-AM)/NRS吸水保水材料的制备及性能研究

于涵, 梅俊飞, 赵艳芳, 廖建和

功能材料. 2021, 52(9): 9202-9207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.032

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以天然胶乳海绵(NRS)为骨架,以丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和聚乙烯醇(PVA)等原料,制备出具有互穿网络结构(IPN)的吸水保水海绵PVA/P(AA-AM)/NRS。分别研究了AA、AM、引发剂过硫酸铵(APS)、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和聚乙烯醇(PVA)用量对复合海绵吸水保水性能的影响。研究结果表明,以最佳配方制备的吸水保水海绵吸水倍率最高可达128 g/g,在室温阴凉处、模拟阳光照射和热带极端环境条件下,保水性能优异;此外,吸水保水海绵重复使用21次后仍具有较高的保水能力,有望用于农作物、花卉的无土栽培、移栽或住宅楼顶隔热。

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超低负载量Au/g-C₃N₄@CeO₂室温催化去除甲醛性能

李琴, 严朝雄, 黄刚, 石零, 徐志花

功能材料. 2021, 52(9): 9208-9214. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.033

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采用简单的煅烧-浸渍法制备了g-C₃N₄@CeO₂负载低含量金(0.003%(质量分数)Au)复合催化剂 (Au/ g-C₃N₄@CeO₂),研究了制备过程中不同三聚氰胺使用量对复合催化剂室温催化氧化甲醛性能的影响。运用X射线衍射(XRD)、透射扫描电镜(TEM),傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、拉曼(Raman)、N₂吸脱附和XPS等手段对所制备的催化剂进行了物化性质表征和分析。性能测试结果表明适当三聚氰胺使用量的Au/g-C₃N₄@CeO₂催化剂能将甲醛完全转化为二氧化碳和水,且甲醛去除率可达91.7%。原位红外结果表明甲酸盐和DOM是该催化反应的主要中间产物。该催化剂的优异性能主要归因于催化剂成分间的强相互作用、g-C₃N₄能够增大催化剂的比表面积和孔容而更有利于CeO₂和Au纳米颗粒的分散及CeO₂的存在促进了甲醛氧化反应的发生等因素。

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壳聚糖/丙烯酰胺光致变色水凝胶的合成及表征

张一昆, 李旭, 牛力, 刘志明

功能材料. 2021, 52(9): 9215-9220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.09.034

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光致变色系统在视觉信息存储,紫外红外光检测等领域应用广泛,但在便携性,响应灵敏度等方面有待提升。本实验以壳聚糖(CS),丙烯酰胺(PAAm)为基体,Fe³⁺为交联剂,钼酸铵(Mo7)为光致变色介质合成了CS-Fe³⁺复合水凝胶。实验结果表明,钼酸铵与Fe³⁺通过配位键引入水凝胶网络中,Fe³⁺在一定浓度范围内能增强复合水凝胶的光致变色性能,复合水凝胶对紫外光敏感,暴露在紫外光下仅5 min便开始变色。通过控制紫外光照射时间以及水凝胶所处环境温度,可控制水凝胶光致变色程度及褪色速率。在60 ℃经过75 min CS-Fe³⁺_-1水凝胶即可完全褪色并重复使用。光照时在水凝胶表面覆盖刻有不同图案的掩模,可在水凝胶上记录不同的信息,赋予水凝胶光学存储性能。将光致变色材料引入水凝胶中不仅使光致变色材料实现便携化,同时水凝胶还具有极佳的光学敏感性,能更好地应用于紫外光检测和视觉信息存储中。

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2021年, 第52卷, 第9期　刊出日期：2021-09-30

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