炭纤维生物膜的形成机制——I、炭纤维表面特性对微生物固着化的影响

采用对比方法，借助化学分析、表面形态分析及生物相容性表征技术等系统地研究了以活性炭纤维、表面改性活性炭纤维作为细胞固着化载体的表面特性及对微物固着的影响。重点考察了纤维表面官能团、比表面积、润湿性等表面特性对微生物固着化的影响。研究结果表明：（1）炭纤维表面的吸附特性对微生物的初期固着起着重要的作用，具有高比表面积的活性炭纤维更易于微生物固着并挂膜。（2）炭纤维表面润湿性与某些酸性官能团的适量增加，有益于载体表面微生物的固着。（3）炭纤维尤其是活性炭纤维较市售有机高分子材料具有更加优异的生物相容性，前者的微生物固着化速率是后者的4倍－16倍。     

炭纤维生物膜的形成机制Ⅱ. 炭纤维表面特性对微生物活性与增殖的影响

采用对比方法,借助化学分析、表面形态分析、微生物活性测定等技术首次系统地研究了以活性炭纤维、表面改性活性炭纤维作为细胞固着化用载体及载体表面特性对生物膜活性、菌液中微生物活性及增殖等的影响。重点考察了纤维表面官能团、比表面积、润湿性等表面特性对生物膜活性以及菌液中微生物活性及增殖等的影响。研究结果表明:(1)改善炭纤维表面的吸附特性有益于微生物固着及挂膜;增加活性炭纤维比表面积有利于提高其表面微生物的活性。(2)与其他有机高分子材料相比炭纤维可以促进微生物的生长。(3)炭纤维表面润湿性与某些酸性官能团的增加,有助于载体表面微生物的生长。     

炭纤维阳极氧化对活性污泥固着性能的影响

通过炭纤维电化学表面改性及动态固着代替静态固着,发现好氧池中处理后的聚丙烯腈(PAN)基炭纤维固着能力更好。对改性后炭纤维的表面形貌、表面官能团的种类和含氧官能团的含氧量进行了表征,并根据动、静态固着效果,分析了影响活性污泥固着的关键因素。SEM表面形貌观察表明经过电化学刻蚀后,炭纤维表面粗糙度的增加有利于形成活性污泥的固着。XPS分析显示,电化学表面改性后,C-C键、羧基、羰基等官能团影响活性污泥的表面固着效果,其中羧基的影响最为显著,另外,表面化学吸附氧对活性污泥固着有促进作用。     

碳纤维表面特性对兼性及厌氧微生物固着的影响

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维表面含氧官能团的种类和数量对固着在碳纤维表面的兼性反硝化菌平均生物膜的厚度有显著的作用,含氧官能团的数量过多或过少都影响碳纤维表面反硝化菌的固着通过对碳纤维的处理获得适量的表面含氧官能团和平衡含水率,可有效地改善碳纤维表面兼性反硝化菌的固着化行为,有助于使碳纤维表面的反硝化生物膜附着量达到最大值.处于同一水平平衡含水率的碳纤维比有机高分子载体对厌氧甲烷菌的固着能力强;同时,随着表面N、O元素含量的增加,平衡含水率增高,碳纤维载体对厌氧甲烷菌的固着能力减弱.高温空气氧化的PAN基高强度碳纤维是一种生物相容性好、固着化程度高、再生能力强、耐微生物分解和化学腐蚀的优异反硝化菌新型固着化载体,而未经表面处理的PAN基高强度碳纤维则是厌氧甲烷菌优异的固着化载体.     

阳极氧化对PAN基高模碳纤维表面的影响

采用阳极氧化法对PAN基高模碳纤维进行在线表面处理,重点研究了氧化电流密度对炭纤维表面形貌、比表面积、表面官能团的影响.结果表明,电流密度时纤维形貌、比表面积影响不大;氧化后纤维表面官能团显著提高.根据实验结果,提出了PAN基高模炭纤维的氧化模型.     

炭纤维表面性质及上浆剂对炭纤维聚碳酸酯复合材料界面性能的影响

通过对比未处理炭纤维、氧化炭纤维、商业化环氧树脂用炭纤维和实验室用聚氨酯及环氧树脂自上浆炭纤维的表面性质和其增强聚碳酸酯层间剪切强度,研究炭纤维表面性质与上浆剂对界面结构与性能的影响。结果表明,未处理炭纤维表面官能团与树脂的浸润性最小,层剪值最低为38.1 MPa。氧化纤维表面官能团增加,浸润性提高,层剪值提高到50.6 MPa。商业化环氧树脂用炭纤维表面官能团与树脂浸润性相比氧化纤维明显提高,层剪值相当,为50.8 MPa。说明浸润性是强界面产生前提,但不是充分条件。自上环氧浆炭纤维复合材料的层剪值相比商业炭纤维更低,约为31.7～39.5 MPa,而聚氨酯上浆炭纤维表面官能团与浸润性跟商业化环氧树脂用炭纤维相当,但层剪值提升18.9%,为60.4 MPa。说明界面结合强度提高的原因更依赖于氨酯键与炭纤维表面及聚碳酸酯树脂基体均能产生强的化学作用。     

改性碳纤维及表面含氧官能团对反硝化菌固着化的影响

通过对比各种碳纤维表面含氧官能团对反硝化菌的固着化实验．研究了碳纤维表面含氧官能团对反硝化菌固着化的影响。实验结果表明反硝化菌在PAN基碳纤维上的平均挂膜厚度明显高于沥青基和粘胶基碳纤雏．碳纤维上适量的表面官能团有助于较多、较牢固地固着反硝化菌。对3种改性PAN基碳纤维Cls的XPS谱图分析得出表面含氧官能团-O-C-O对反硝化菌的挂膜影响最大。当表面含氧官能团O-C-O中碳原子占碳纤维表面碳原子总量的3％左右时反硝化菌挂膜较佳。经过比较表明PAN基高强度碳纤维是一种生物相容性较好．可长期循环使用及性能优异的反硝化菌固着化载体。     

阳极氧化对炭纤维电镀镍的影响

采用阳极氧化法对炭纤维进行连续表面改性,并在其表面进行电镀镍处理,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析和酸碱滴定等方法研究了炭纤维阳极氧化前后的物理化学结构及对炭纤维电镀镍镀层的影响。结果表明:经过阳极氧化处理后,炭纤维表面的总酸性官能团提高约10倍;炭纤维拉伸强度降低先慢后快;阳极氧化可以改善镀层的生长过程,使镍镀层的生长由(V-W)模式转变为(F-M)模式,并且促使镀层晶粒细晶化,N i晶粒尺寸由14.5nm降为11.2nm,提高了镀镍炭纤维的抗氧化性以及镀层与炭纤维的结合力,阳极氧化后镀镍的炭纤维初始氧化温度较镀镍炭纤维提高了50℃。     

电化学氧化处理对PAN基炭纤维表面浸润性的影响

以硫酸铵为电解质,对炭纤维进行连续电化学氧化处理,利用反气相色谱(IGC)研究电化学氧化处理前后的表面能变化,并联系SEM、AFM、XRD、Raman、XPS等测试结果综合分析电化学氧化处理对炭纤维表面性能的影响。研究表明,经电化学氧化处理后,纤维沿轴方向表面沟槽加深加宽,薄弱层被剥除,晶格择优取向遭到破坏;纤维表面活性官能团增多,氧和氮含量分别增加了180%和65%,提高了纤维与树脂的粘结性;纤维表面能提高了3.1倍,与树脂的浸润性得到改善;电化学氧化处理后其复合材料的ILSS达109MPa,已可充分满足实际应用需求。     

上浆剂对炭纤维表面和环氧树脂复合材料的影响

采用两种上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线元素分析(XPS)和反向气相色谱(IGC)研究了未上浆、上浆炭纤维的表面形貌、化学组成及纤维表面能,测试了未上浆和上浆炭纤维所制备复合材料的层间剪切强度(ILSS)并用SEM观察其断面形貌。结果表明,上浆后炭纤维表面变平滑,纤维表面n(O)/n(C)明显提高,含氧官能团(羟基、羧基)增加,炭纤维表面能降低。上浆后,复合材料的ILLS有所提高。     

炭纤维特性与炭纤维/环氧树脂界面断裂能关联分析

采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法,测试了5种国产炭纤维、2种国外炭纤维与航空结构用环氧树脂复合体系的界面断裂能,通过SEM,AFM,IR以及XPS等手段分析了7种炭纤维的表面物理化学特性,并研究了炭纤维特性与界面断裂能的关联。结果表明:对于所研究的炭纤维/环氧树脂体系,去除炭纤维表面上浆剂后界面断裂能下降,说明上浆剂可以在一定程度上提高界面的韧性。此外,实验范围内,纤维拉伸强度较高时,测得的界面断裂能较高,炭纤维表面粗糙度较高时,测得界面断裂能较高,说明纤维拉伸性能和表面粗糙度对界面韧性有重要影响,而与这两种因素相比,上浆剂的种类影响相对较小。研究结果为高性能国产炭纤维的研发和炭纤维/树脂匹配性的评价提供了重要的实验数据。     

国产T800级炭纤维表面特性及其复合材料微观界面性能

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了两种国产上浆/去浆T800级炭纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了炭纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响。结果表明:去浆后炭纤维表面含氧活性官能团含量降低,粗糙度增加,与基体树脂的界面结合强度增大;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是破坏了纤维/基体间的化学键合作用,但去湿后部分界面性能可恢复。     

富氮多孔纳米炭纤维的制备及其用作超级电容器电极材料

以商业聚酰亚胺树脂为前驱体,经过静电纺丝和一步炭化制备出富含氮原子的纳米炭纤维,采用扫描电镜、低温氮吸附和XPS等手段对纳米炭纤维的结构进行表征,考察不同炭化温度下纳米炭纤维的孔结构与表面含氮官能团的演变。结果显示,所得聚酰亚胺纤维经过一步高温处理便可得到微孔发达且富含氮原子的纳米炭纤维。随着炭化温度的升高,纳米炭纤维的比表面积与氮含量均逐渐降低。700℃炭化得到的纳米炭纤维的比表面积达到447 m2/g、纤维平均直径为234 nm、表面氮含量达到4.1%。将所得纳米炭纤维直接用作超级电容器电极,采用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗对其电化学性能进行考察。所得富氮纳米炭纤维表现出优异的电容量和表面电化学活性,其比电容达到214 F/g,单位比表面的电容量达到0.57 F/m2。     

炭纤维表面氧化处理对其力学性能的影响

对炭纤维进行表面氧化处理不仅可以改善纤维增强复合材料的界面状况,而且可以改善纤维自身的力学性能.TX-3和HTA纤维的液相(HNO3、H2O2)和电化学表面氧化处理的结果表明,在氧化处理的不同阶段,纤维的抗拉强度和弹性模量表现出不同的升降规律,从纤维表面特性的角度对这一现象的原因进行了解释.电化学表面氧化处理时,电解质的浓度和氧化电流对炭纤维的抗拉强度和弹性模量有显著影响.     

电化学氧化对炭纤维界面性质的影响

对粘胶基炭纤维进行电化学氧化表面处理，对表面处理前后的炭纤维进行强力测试，分析表面处理条件对炭纤维强度的影响，通过测定炭纤维与几种浸润液的接触角，分析了电化学氧化表面处理对炭纤维浸润特性的影响，在电镜下观察表面处理前后炭纤维表面形貌的变化，并测其比表面积的变化，分析处理条件对其表面粗糙度的影响，通过炭纤维的拉曼散射，分析表面处理前后炭纤维表面微晶大小的变化，最后，对处理前后炭纤维的相关性能指标进行比较，分析其性能变化的机理及其性能变化对炭纤维复合材料界面粘结性能的影响。     

炭化对沥青基炭纤维活化性能的影响

以沥青基炭纤维(PCF)为原料,H2O、CO2为活化剂,采用直接活化和炭化-活化两种不同工艺制备活性炭纤维。经对比发现,采用炭化-活化法制备的沥青基活性炭纤维(PACF)在比表面积、吸附性能和收率等方面均比直接活化法制备的PACF有明显提高。     

活化前铵盐处理对活性炭纤维吸附甲烷的影响

以沥青基炭纤维为原料，采用铵盐溶液对炭纤维浸渍处理、(H2O C02)活化的方法制备活性炭纤维，研究了铵盐浸渍对活性炭纤维甲烷吸附性能的影响。结果表明：铵盐预处理对提高活性炭纤维比表面积、孔容和活化产率有明显效果，是一种较好的预处理液。经铵盐处理得到的活性炭纤维较未处理活性炭纤维的甲烷吸附量高，但吸附量增加幅度小于比表面积和孔容的增加幅度。活性炭纤维的甲烷吸附量与微孔的孔径分布密切相关。     

炭纤维表面物理特性的表征及其对浸润性能的影响

采用反气相色谱法对除浆前后T300B炭纤维的比表面积、溶解度参数和表面能进行了表征测试,分析了炭纤维表面物理特性对纤维和树脂浸润性能的影响。以一系列不同浓度的正庚烷为吸附质,根据BET吸附理论模型,计算得到除浆前后T300B纤维的比表面积分别为0.43m2/g和0.39m2/g。以正癸烷、正壬烷、正辛烷和正庚烷为非极性溶剂探针,甲苯、二氯甲烷、乙醇、1,4-二氧六环和丙酮为极性溶剂探针,采用DiPaola和Guillet方法得到不同探针分子与纤维表面的Flory-Huggins相互作用参数,计算除浆前后T300B的溶解度参数(δ)分别为11.98MPa1/2和10.01MPa1/2。T300B纤维的上浆剂可以增大纤维表面能的极性分量,使上浆纤维的溶解度参数与E51环氧树脂的δ(11.78MPa1/2)更为接近,提高了T300B纤维与树脂的浸润性能。     

热处理温度对聚酰亚胺基炭纤维结构性能影响

以聚酰亚胺(PI)纤维为前驱体,经800~2800℃连续高温处理,制备出不同性能的聚酰亚胺基炭(石墨)纤维。采用元素分析、SEM、HR-TEM、Raman、纤维强力仪、电阻率仪等分析手段研究热处理温度对炭纤维(CF)元素含量、结构形貌、力学性能、传导性能等方面的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,聚酰亚胺基炭纤维中碳含量从78.97%(800℃)提高到99.72%(2 800℃),非碳原子含量降低;聚酰亚胺基炭纤维表面缺陷数目增加且尺寸增大。同时,纤维的微观结构也从二维乱层石墨结构向有序的三维层状结构发展,表现为石墨化程度的提高及石墨微晶尺寸的增大;炭纤维拉伸强度先增加后降低,最大拉伸强度924.4 MPa,断裂伸长率降低,电阻率减小,热导率增加,2 800℃石墨化处理后纤维热导率为228.4 W·m-1·K-1,是800℃处理后的50.4倍。     

活性炭表面特性对去除苯性能的影响

以6种性质不同的活性炭为对象,研究其表面特性对苯去除能力的影响。该实验以含苯空气为研究对象,在固定床U形反应器中进行吸附苯的实验。通过比表面积、孔径分布和表面官能团等表面特性分析,研究活性炭特性对去除苯性能的影响。实验结果表明:对不同材质活性炭,微孔结构发达有利于苯的去除,酚羟基有利于活性炭的吸附行为。对于3种椰壳活性炭,比表面积越大苯的去除效果越好,大孔对苯的去除性能没有影响。