影响高浓度氧化石墨烯分散液流变行为的重要因素及群体平衡动力学分析

毛赫南 王晓工

引用本文: 毛赫南, 王晓工. 影响高浓度氧化石墨烯分散液流变行为的重要因素及群体平衡动力学分析[J]. 物理化学学报, 2022, 38(4): 200402. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004025 shu
Citation:  Henan Mao, Xiaogong Wang. Key Factors Affecting Rheological Behavior of High-Concentration Graphene Oxide Dispersions and Population Balance Equation Model Analysis[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(4): 200402. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004025 shu

影响高浓度氧化石墨烯分散液流变行为的重要因素及群体平衡动力学分析

    通讯作者: 王晓工, wxg-dce@mail.tsinghua.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划项目(973) 2012CB933402

摘要: 氧化石墨烯(GO)片的基面和边缘上存在大量的含氧官能团,能很好地分散在水中,因而具有很好的加工性和广阔的应用前景。在较高浓度范围下,GO水分散液中存在着强烈的竞争性相互作用,从而对流变行为产生较大影响。在本文中,通过稳态、动态等流变实验以及理论分析,研究了pH值、温度和不同的有机溶剂对GO分散液流变行为的影响。结果表明,降低pH值、适当增加温度以及加入吡啶均可促进GO水分散液从粘弹性液体到凝胶态的转变。利用DLVO (Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek)理论,探讨了GO片之间的范德华作用力以及双电层排斥作用的相互关系,及其对流变性能的影响。通过群体平衡模型(PBE)分析了GO分散液的屈服应力与体积分数的正相关关系。同时,通过蠕变和松弛实验发现,高浓度的GO分散液中结构变化及流变行为在很多方面与高聚物相似,利用Poyting-Thomson模型能较好地拟合其粘弹性行为。上述研究结果为深入研究复杂的GO分散体系提供理论支撑和实验依据。

English

    1. [1]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    2. [2]

      Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1142/9789814287005_0002

    3. [3]

      Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Dommett, G. J. B.; Kohlhaas, K. M.; Zimney, E. J.; Stach, E. A.; Piner, R. D.; Nguyen, S. B.; Ruoff, R. S. Nature 2006, 442, 282. doi: 10.1038/nature04969

    4. [4]

      Dikin, D. A.; Stankovich, S.; Zimney, E. J.; Piner, P. D.; Dommett, G. H. B.; Evmenenko, G.; Nguyen, S. B.; Ruoff, R. S. Nature 2007, 448, 457. doi: 10.1038/nature06016

    5. [5]

      Park, S.; Ruoff, R. S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217. doi: 10.1038/nnano.2009.58

    6. [6]

      Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 228. doi: 10.1039/B917103G

    7. [7]

      Zhu, Y. W.; Murali, S.; Cai, W. W.; Li, X. S.; Suk, J. W.; Potts, J. R.; Ruoff, R. S. Adv. Mater. 2010, 22, 3906. doi: 10.1002/adma.201001068

    8. [8]

      Li, D.; Müller, M. B.; Gilje, S.; Kaner, R. B.; Wallace, G. G. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 101. doi: 10.1038/nnano.2007.451

    9. [9]

      Eda, G.; Chhowalla, M. Adv. Mater. 2010, 22, 2392. doi: 10.1002/adma.200903689

    10. [10]

      Hirata, M.; Gotou, T.; Ohba, M. Carbon 2005, 43, 503. doi: 10.1016/j.carbon.2004.10.009

    11. [11]

      Loh, K. P.; Bao, Q. L.; Eda, G.; Chhowalla, M. Nat. Chem. 2010, 2, 1015. doi: 10.1038/nchem.907

    12. [12]

      Szabó, T.; Szeri, A.; Dékány, I. Carbon 2005, 43, 87. doi: 10.1016/j.carbon.2004.08.025

    13. [13]

      Potts, J. R.; Dreyer, D. R.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. Polymer 2011, 52, 5. doi: 10.1016/j.polymer.2010.11.042

    14. [14]

      Mei, Q. S.; Zhang, Z. P. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 124, 5700. doi: 10.1002/anie.201201389

    15. [15]

      Yang, X. W.; Cheng, C.; Wang, Y. F.; Qiu, L.; Li, D. Science 2013, 341, 534. doi: 10.1126/science.1239089

    16. [16]

      Gwon, H.; Kim, H. S.; Lee, K. U.; Seo, D. H.; Park, Y. C.; Lee, Y. S.; Ahn, B. T.; Kang, K. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1277. doi: 10.1039/C0EE00640H

    17. [17]

      Zhang, J. T.; Zhao, X. S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 5420. doi: 10.1021/jp211474e

    18. [18]

      Lerf, A.; He, H. Y.; Forster, M.; Klinowski, J. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 4477. doi: 10.1021/jp9731821

    19. [19]

      Cai, W. W.; Piner, R. D.; Stadermann, F. J.; Park, S.; Shaibat, M. A.; Ishii, Y.; Yang, D. X.; Velamakanni, A.; An, S. J.; Stoller, M.; et al. Science 2008, 321, 1815. doi: 10.1126/science.1162369

    20. [20]

      Cheng, C.; Li, D. Adv. Mater. 2013, 25, 13. doi: 10.1126/science.1239089

    21. [21]

      Li, C.; Shi, G. Q. Adv. Mater. 2014, 26, 3992. doi: 10.1002/adma.201306104

    22. [22]

      Naficy, S.; Jalili, R.; Aboutalebi, S. H.; Gorkin Ⅲ, R. A.; Konstantinov, K.; Innis, P. C.; Spinks, G. M.; Poulin, P.; Wallace, G. G. Mater. Horiz. 2014, 1, 326. doi: 10.1039/C3MH00144J

    23. [23]

      Chen, D. T. N.; Wen, Q.; Janmey, P. A.; Crocker, J. C.; Yodh, A. G.; Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2010, 1, 301. doi: 10.1146/annurev-conmatphys-070909-104120

    24. [24]

      Giudice, F. D.; Shen, A. Q. Curr. Opin. Chem. Eng. 2017, 16, 23. doi: 10.1016/j.coche.2017.04.003

    25. [25]

      Vallés, C.; Young, R. J.; Lomax, D. J.; Kinlock, I. A. J. Mater. Sci. 2014, 49, 6311. doi: 10.1007/s10853-014-8356-3

    26. [26]

      Tesfai, W.; Singh, P.; Shatilla, Y.; Iqbal, M. Z.; Abdala, A. A. J. Nanopart. Res. 2013, 15, 1989. doi: 10.1007/s11051-013-1989-3

    27. [27]

      Konkena, B.; Vasudevan, S. J. Phys. Chem. 2014, 118, 21706. doi: 10.1021/jp507266t

    28. [28]

      Wang, P. H.; Li, Y. E.; Zhang, Y. T. Memb. Sci. Technol. 2019, 39, 62. doi: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2019.03.010

    29. [29]

      Xiong, Z. Y.; Yun, X. W.; Qiu, L.; Sun, Y. Y.; Tang, B.; He, Z. J.; Xiao, J.; Chung, D.; Ng, T. W.; Yan, H.; et al. Adv. Mater. 2019, 31, 1804434. doi: 10.1002/adma.201804434

    30. [30]

      Wu, L.; Liu, L.; Gao, B.; Munoz-Carpena, R.; Zhang, M.; Chen, H.; Zhou, Z. H.; Wang, H. Langmuir 2013, 29, 15174. doi: 10.1021/la404134x

    31. [31]

      Gudarzi, M. M. Langmuir 2016, 32, 5058. doi: 10.1021/acs.langmuir.6b01012

    32. [32]

      Hummers, W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339. doi: 10.1021/ja01539a017

    33. [33]

      Xiong, Z. Y.; Yun, X. W.; Tang, B.; Wang, X. G. Carbon 2016, 107, 548. doi: 10.1016/j.carbon.2016.06.029

    34. [34]

      Hahn, M. W.; O'Melia, C. R. Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 210. doi: 10.1021/es030416n

    35. [35]

      Tang, B.; Gao, E.; Xiong, Z.; Dang, B.; Xu, Z.; Wang, X. Chem. Mater. 2018, 30, 5951. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b02083

    36. [36]

      Ramkrishna, D. Population Balances: Theory and Applications to Particulate Systems in Engineering; Academic Press: San Diego, CA, 2000.

    37. [37]

      Camptr, T. R.; Stein, P. C. J. Boston Soc. Civil Eng. 1943, 30, 219.

    38. [38]

      Diemer, R. B.; Olson, J. H. Chem. Eng. Sci. 2002, 57, 2193. doi: 10.1016/S0009-2509(02)00111-2

    39. [39]

      Dimitriou, C. J.; Ewoldt, R. H.; McKinley, G. H. J. Rheol. 2013, 57, 27. doi: 10.1122/1.4754023

    40. [40]

      Armstrong, M. J.; Beris, A. N.; Wagner, N. J. AIChE J. 2017, 63, 1937. doi: 10.1002/aic.15577

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  • 发布日期:  2022-04-15
  • 收稿日期:  2020-04-08
  • 接受日期:  2020-04-27
  • 修回日期:  2020-04-26
  • 网络出版日期:  2020-05-11
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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