论文摘要
气相生长碳材料,诸如碳微球、碳纤维等,由于其杰出的物化性能,如化学稳定性、热稳定性、优良的导电和导热性等在众多领域获得了广泛的应用。然而,未经处理的碳材料之间普遍存在强范德华力,极易产生团聚,并且化学活性低,表面活性点少,难以形成有效的界面结合和实现有效的承载转换,无法满足不同功能材料的需求,从而极大地限制了其应用。因此,针对此类碳材料进行表面修饰,使其表面引入功能化官能团,改善表面惰性,提高在试剂中的分散能力,具有重要的研究意义。本论文中,首先利用化学气相沉积法（CVD）,通过脱油沥青热解制备了气相生长碳微球（CMSs）和气相生长碳纤维（VGCFs）;随后,以CMSs为原料进行了不同无机酸（HNO3、H2SO4+H2O2、HNO3+H2O2）化学修饰的研究,在优化无机酸修饰参数的前提下同时进行了处理后CMSs与NaOH碱溶液的反应,研究了其产物在不同溶剂中的溶解性差异。同时,鉴于等离子体法的众多优点,本论文初步探索了采用射频等离子体对VGCFs进行表面改性的研究,主要考察不同氧气比例的放电工作气体对碳纤维表面修饰的影响。采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X-射线光电子能谱分析（XPS）、热重分析（TG）、能谱分析（EDS）、等离子体发射光谱仪（ICP-AES）、红外分析（FT-IR）和沉降实验等手段对产物进行表征和分析。结果如下:1. HNO3的处理对CMSs的修饰效果不明显,表面惰性没有改善;经过不同的混酸处理,CMSs分散效果良好,修饰效果显著提高,尤其经过HNO3和H2O2的混酸回流,CMSs被强烈氧化,表面粗糙松散,并在其表面引入了大量-COOH官能团,使其亲水性增强,在水溶液中的分散性有大幅度改善,达到了改善CMSs表面惰性的目的;在HNO3和H2O2的配合修饰过程中,CMSs表面主要进行三个阶段的反应,首先是侵蚀阶段,此阶段氧化作用主要是使碳球刻蚀,通过优先氧化活性点生成刻痕;其次是-OH和-C=O等亲水基团的引入阶段,此时CMSs团聚体开始分散;最后是分解阶段,亲水基团被继续氧化分解,CMSs进一步被刻蚀,生成更加明显的凸凹表面。同时在整个过程中,过氧化氢由于-O-O-中O不稳定容易生成自由基,降低了化学反应势能,加速了反应速率;2.经过HNO3和H2O2混酸处理得到的CMS-（COOH）n与NaOH溶液进行反应,生成大量-COONa离子基团,形成了CMS-（COONa）n,使得其表层出现沟壑,在水中的分散性明显改善,亲水性显著增强;然而,NaOH对未经酸处理的CMSs修饰效果欠佳,团聚现象依然严重;同时,由于CMS-（COONa）n强的离子性,使其很难在有机溶剂中分散;这种具有特殊选择性的分散性能为CMSs的液相反应提供了依据,而可操作的合理的液相反应为碳微球的功能化奠定了基础;3.射频等离子体氧化处理VGCFs,能够在其表面引入一定量的酸性含氧官能团;随着氧气含量的增强,VGCFs的氧化程度逐渐加深,其表面生成的含氧官能团也随之增加,当氧气含量为5%时,VGCFs表层的含氧官能团数量最多,纤维酸性最强;然而当氧气含量达到8%时,VGCFs被剧烈氧化,碳纤维的微晶结构被破坏,母体的开始氧化温度减低,同时,表面被直接氧化形成CO2逸出。在适宜的氧气工作气体条件下,射频等离子体能够高效、无污染地改性VGCFs,这为高附加值的碳微球的修饰提供了一种新颖思路。