碳纤维及其复合材料的研究进展_杜雅欣.pdf

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（：）。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、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，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；甲基橙浓度较高时（），甲基橙吸附量随着温度升高而增大。不同温度下 对甲基橙的吸附均符合 吸附等温模型，吸附量随甲基橙初始浓度增大而增大。对甲基橙的吸附过程符合准二级动力学方程。对甲基橙具有良好的吸附能力。程竹绿等利用牛角瓜制备具有高度中空结构的，平均中孔度高于。的比表面积和平均孔径分别为 和.，具有粗糙表面、发达介孔结构及表面丰富的、元素，对亚甲基蓝溶液（）的饱和吸附量为.。等以天然竹炭纤维为原料，经热解法制备轻质超疏水碳纤维气凝胶（）。可选择性的吸附水中的污染物（苯、甲苯、氯仿、乙酰丙酮等等），吸附量为自身重量的 倍。等制备的超细分级多孔碳纤维（），具有丰富吸附位点、分层结构、微孔及中孔结构，下，对己醇和丙酮的吸附量分别达到.和.，为吸附 提供可行方法。等对活性碳纤维毡（）进行化学活化，提升高表面氧含量（.）和高比表面积（.），对（）显示高吸附能力（.），是原始 的.倍。.还原 碳纤维复合材料用于 还原，碳纤维作为 捕获剂，同时材料间界面作用加速电荷分离效率，提升 还原活性。等合成银纳米粒子（）修饰的碳纤维（）复合材料 ，其光催化还原 活性是 的 倍，提高了生成 的选择性。等通过原位浸渍和热处理方法制备了氧化锌纳米棒 碳纤维（）复合催化剂，与 之间的相互作用，加快 的光生电子到 上的迁移，复合催化剂还原 生成甲醇的活性较 提高 倍。等制备高分散的镍钴氧磷纳米颗粒（），与多通道中空碳纤维（）复合，提高 吸附，抑制金属氧磷 聚集，利用高导电性和多通道空心碳基体提高电子的转移速度，平均每.复合催化剂对应的 还原产物生成速率为.。.分解水产 碳纤维复合半导体材料，利用碳纤维三维网络及中空结构加速电子转移，提高分解水产氢量。等以生物韧皮为原料制备了碳纤维 复合材料。碳化韧皮纤维表面存在大量中空结构，提高 在碳纤维上负载量，其光催化分解水产氢速率达到.。反应后 仍然均匀地负载在碳纤维表面，表明此材料有较强的可循环利用性。等将 纳米片原位接枝到三维碳纤维毡（）框架上，作为一种低成本三维析氢阴极催化剂。控制 纳米片的生长，使其均匀分布在 框架中，暴露出更多氢原子吸附活性位点，形成三维导电网络，促进电解质渗透到内部空间，加速电子转移，复合材料具有良好的电催化活性。.高级氧化技术协同吸附作用利用碳纤维的高比表面积和孔结构特点结合高级氧化技术，实现染料等废水吸附降解协同效果。解宏端等制备镧掺杂 复合碳纤维光催化剂（）。内印染废水脱色率为，去除率达.，（印染废水可生化性）从最初的.提高到.。次循环后催化活性未见明显下降，具有优异的降解性能和可循环性。等将（或氧化物）负载到 上，材料仍保持较大的比表面积和孔容优势，低温下对 和 去除率分别为.和.。范星等以 为载体，制备活性碳纤维 柠檬酸铁 硫（）催化剂。的引入提高了复合催化剂对 的吸附，反应体系加入，其产生的 和 是 降解的主要活性物种，实现吸附降解协同效应，次循环后对 仍保持 的脱色率。凌琪等将 成功负载到 上，制备了 复合材料。可以有效地活化，产生，达到对 吸附降解协同效应。该复合材料具有较宽的 应用范围，在 为 ，反应 广 州 化 工 年 月后，降解率均达到 以上，对于其他染料（铬黑、甲基红）也表现出了吸附降解协同效应。姚怡媛等以金属骨架（）为前驱体制备了硼氮共掺杂的中空碳纳米纤维（）催化剂，催化剂为薄膜状，因此在反应后可以进行回收，避免了二次污染。用于活化 降解双酚 的性能明显高于，催化剂经过多次循环后仍具有良好的吸附催化性能，且便于回收再利用。.环境杀菌碳纤维的抗菌性指在表面负载抗菌性活性物质，如与 复合用于环境杀菌，提高杀菌活性。等以可再生的棉纤维和木材纤维作为生物质源，制备 掺杂的碳纤维。纤维素和 通过络合作用实现负载，对大肠杆菌有良好的抑制作用。王金兴等分别用、和 对 进行改性处理，负载 得到纳米 活性碳纤维材料。与未处理的银 复合材料相比，提高了 在 表面的负载量，两者间作用力增强，减少 颗粒流失，增加表面氧化还原活性位点，优化该复合材料在饮用水中杀菌性能，经 改性后的纳米 活性炭纤维在 内对饮用水杀菌率达到。等合成了硅烷化碳纤维（），制备了硅化碳纤维丙烯酸银（）导电抗菌复合材料。纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抗菌活性。结 语碳纤维作为绿色环保的净化材料，俨然成为新时代的热点研究对象。利用其高比表面积和三维孔结构提高吸附性能，结合其他高性能材料实现吸附与降解污染物、杀菌、还原 及分解水制氢等协同效应，提升其在环境污染治理、新能源开发及新材料研发等领域的应用。此外，当前碳纤维大部分前驱体仍是（聚丙烯腈），的过度使用势必会对环境造成不利影响，因此以木质素、纤维素等为代表的天然生物质材料作为新的碳纤维前体有着巨大的发展空间。参考文献 乔允允，李俊峰，姜燕，等.表面处理对碳纤维 聚苯硫醚复合材料性能的影响合成纤维工业，（）：.，.，（）：.，.，（）：.罗瑞，陈旺，张进，等.碱处理和掺氮耦合改性对活性炭纤维吸附甲醛性能的影响环境工程学报，（）：.骆青虎，武福平，李锡锋，等.碱改性活性炭纤维电吸附处理 浓水效果及除盐动力学特性环境工程学报，（）：.陈平，于祺，熊需海，等.高性能纤维表面改性及其双马树脂基复合材料界面高分子学报，（）：.程燕婷，孟家光，刘青.碳纤维表面改性处理及其基本性能表征纺织学报，（）：.，.，（）：.杨岳，陈珊媛，关成立，等.活性炭纤维 对甲基橙染料的吸附动力学研究广州化工，（）：.程绿竹，王宗乾，王邓峰，等.高中空生物质活性碳纤维制备及其对亚甲基蓝的吸附性能 纺织学报，（）：.，.，（.）：.，.，（）：.，.（），（）：.，.：，：.，.：，（）：.，.，（）：.，.，：.，.，（）：.解宏端，孙学凯，田丹，等.活性碳纤维负载镧掺杂二氧化钛处理印染废水水处理技术，（）：.，.，（）：.范星，唐玉朝，张倩倩，等.活性炭纤维负载柠檬酸铁活化过硫酸氢钾降解罗丹明 的研究环境科学研究，（）：.凌琪，陈嘉雄，伍昌年，等.活化过一硫酸氢钾复合盐处理印染废水水处理技术，（）：.姚怡媛，王超海，晏鑫，等.硼氮共掺杂中空碳纳米纤维的制备及其活化过一硫酸盐降解双酚 的性能研究环境科学学报，（）：.，.，（）：.王金兴，梁继东，孙玮，等.载 活性碳纤维的制备及其杀菌性能评价复合材料学报，（）：.，.，（）：.，.，（）：.