碳纤维及其复合材料的研究进展_杜雅欣.pdf
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1、第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .专论与综述碳纤维及其复合材料的研究进展杜雅欣,刘旭东,刘 利(华北理工大学化学工程学院,河北 唐山)摘 要:碳纤维()因其高比表面积和优异的结构而具有优良的吸附性能,同时具有耐酸性、耐碱性、耐高温、高导电性、化学稳定性和可再生性等优势,广泛地应用于制备各种复合材料中。本文从碳纤维的预处理方法,包括酸碱处理、等离子处理和氧化处理等,以及碳纤维与其他材料复合后在水处理、分解水产氢,还原、杀菌等方面的应用进行综述。最后对碳纤维未来的发展进行了展望。关键词:碳纤维;预处理;碳纤维复合材料;水处理中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国家自然科学基金(:)
2、。第一作者:杜雅欣(),女,硕士研究生,主要研究方向为催化新材料与新技术。通讯作者:刘利(),女,教授,主要研究方向为催化新材料与新技术。,(,):(),.,.,.:;化学品泄漏、工业废水以及 过度排放等造成的环境污染日益严重,已成为亟待解决的重要问题。科研工作者们在高性能吸收材料领域做了大量工作。碳材料尤其是碳纤维材料因其良好的物理化学性质及高的稳定性等优点,作为吸附剂和催化剂载体应用于水处理、碳中和等领域。活性炭纤维()具有高表面积和微孔结构,其吸附量极高;表面具有大量活性基团,可提供较多的活性位点;良好的化学稳定性和惰性结构确保材料自身的稳定性及活性部位的稳定性。这些特性使 在吸附分离、
3、作为催化剂载体方面具有广泛的适用性。碳纤维材料的预处理碳纤维材料与其他材料的复合程度是影响碳纤维复合材料性能发挥的重要因素。然而大部分碳纤维表面是惰性的,与其他材料复合困难。通常对碳纤维材料进行预处理,使其发生物理、化学以及形态上的改变。预处理后的 通常体现在表面积的提高、化学结合增强以及与其他材料间的粘附性能提升。常用的预处理方法有酸处理、碱处理及等离子体处理法等。通过对这些方法的比较研究,可以根据需要选择合适的处理方法。.酸处理常用的酸处理试剂包括硝酸、硫酸以及过氧化氢等,经过酸氧化处理后的碳纤维材料,其表面酸性官能团或含氧基团增加,出现缺陷或变粗糙。乔允允等用硝酸和丙酮处理(碳纤维),其
4、表面的浆剂被有效去除,这有利于其他材料在 表面的均匀分散及在溶液中的浸润,同时 表面的氧碳()摩尔比有所提升,含氧官能团增加,且 表面产生了缺陷和沟壑,使得 的界面性能增强。等用硝酸对碳纤维表面进行处理,碳纤维表面产生了凹槽和蚀刻坑,其表面酸性官能团含量从.增加到.,去除了表面的松散结合层。硝酸处理过的碳纤维表面引入了亲水基团,其表面湿润性有明显提高。等用不同比例 和混合物对 进行处理。处理后的 表面粗糙,生成了石墨烯量子点和含氧官能团。对比发现,使 表面粗糙,而 在 表面生成官能团,混合酸的作用是石墨烯量子点的生成。第 卷第 期杜雅欣,等:碳纤维及其复合材料的研究进展 .碱处理强碱对碳纤维材
5、料处理后,其表面更粗糙,孔结构发生改变。罗瑞等用较高浓度氢氧化钾对 进行处理,其表面发生刻蚀作用,变得更加粗糙,同时产生大量的微孔,处理后的 的总孔容和微孔容分别从.和.提升到了.和.,提高了 的表面积。骆青虎等发现氨水处理过后的,排列更整齐,沟槽更突出,其表面含氧官能团增加,氨水可以在一定程度上使 表面的官能团发生种类和数量上的变化。这些改变有利于 的应用。.等离子体处理等离子体处理碳纤维材料后,增加含氧官能团,提升表面粗糙度,改善纤维浸润性能。陈平等采用电感耦合射频等离子体()和介质阻挡放电()低温等离子体对纤维表面进行改性。经过等离子体处理后,纤维表面接枝了大量的含羧基、羟基等极性官能团
6、,表面粗糙度增加,表面自由能增加,纤维浸润性能得到明显改善,导致纤维与其他材料界面间剪切强度()明显提高。程燕婷等为改善碳纤维与树脂基体之间的界面性能,提高碳纤维的摩擦性和表面浸润性,在空气条件下采用低温等离子体技术对碳纤维表面进行改性处理。经过改性处理后的碳纤维表面变得凹凸不平且具有明显的剥离现象,表面粗糙度增加。等离子体处理后碳纤维表面引进了 和 等新的官能团,新的活性官能团可与基体发生反应,通过化学键合作用提高碳纤维与基体的界面黏结。等离子体处理使得碳纤维断裂强力减小,摩擦性能提高,表面浸润性提高,有利于纤维与树脂的结合,利于碳纤维复合材料的制备。.氧化处理 等对聚丙烯腈()基碳纤维进行
7、了氧氟化处理。结果发现,处理后的碳纤维表面上含更多的含氧官能团,表面组成发生显著变化,碳纤维表面变得更加粗糙。碳纤维及其复合材料的应用利用碳纤维的高比表面积、丰富的微孔结构和含氧基团等特点,实现对染料、金属离子、气体等高吸附性能,与其他材料复合实现吸附与其他性能协同,在吸附、分解水产氢、还原和高级氧化技术等领域具有广泛应用。.水中污染物的吸附通过不同原料和方法制备的,其较大的比表面积和孔结构对染料、气体及金属离子等均表现出优异的吸附性能。杨岳等利用第三代(比第一代和第二代具有更大的表面积及更多的微孔结构)对甲基橙废水进行吸附性能研究。甲基橙浓度较低时(),对甲基橙吸附量几乎不受温度影响;甲基橙
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