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碳化纤维表面的化学改性,不但可以为碳化纤维的功能化利用开辟新的应用领域,也将为碳纤维增强复合材料的设计和制备,增强碳纤维与基体的界面结合力提供有益的技术指导。
本文研究了250℃低温半碳化的聚丙烯腈纤维和900℃高温炭化活化的黏胶基活性碳纤维的表面氧化或接枝改性效果。利用硝酸氧化、燃烧法、等离子体处理、辐照接枝四种方法对炭化纤维进行了表面化学改性。研究了硝酸氧化、燃烧法和等离子体法三种方法对活性碳纤维的化学修饰效果。制备了含有丰富有机基团的多孔炭纤维或半炭化离子交换纤维。探讨了工艺条件对改性碳化纤维的结构的影响,利用红外光谱、热重、单丝拉伸、扫描电镜、原子吸收法等方法对样品的物理化学性能进行了表征,评价了改性碳化纤维的吸附和离子交换性能。
研究结果表明,利用硝酸氧化法处理半碳化的聚丙烯腈基纤维,可制备一种新型的弱酸性的半碳化纤维,该纤维表面氧化性基团含量达到3.78mmol/g,并且具有良好的热稳定性。燃烧法、等离子体处理和硝酸氧化三种方法的改性效果比较表明,就纤维表面氧化性基团的含量、力学性能及其对Pb2+的吸附性能等方面来说,硝酸氧化法可获得最好的改性效果。硝酸处理后,纤维表面氧化性基团含量达到3.90mg/g,拉伸强度为原纤维的58.6%,而对Pb2+的吸附能力为原纤维的1.6倍。利用共辐照接枝法可以成功的在活性碳纤维表面接枝丙烯腈(AN)单体,根据热重分析结果,接枝率超过12%。反应体系中DVB的加入可增加AN的接枝效率。经过偕胺肟化处理后,对H92+离子的吸附容量为25.8mg/g,是原纤维的吸附容量的2.6倍。接枝后,活性炭纤维的比表面积和孔体积有所降低,导致其对大分子量染料的吸附能力有所下降。