炭纤维范文精选

1气相生长纳米炭纤维概述

炭纤维是一种主要以sp2杂化形成的一维结构炭材料。根据其合成方式和直径不同可分为：有机前躯体炭纤维（PAN基、粘胶丝基、沥青基炭纤维）、气相生长炭纤维(Vapor-growncarbonfiber简称VGCF)、气相生长纳米炭纤维(Vapor-growncarbonnanofiber简称VGCNF)、炭纳米管（carbonnanotube简称CNT），如图1所示。自从1991年Iijima［1］发现纳米炭管以来，由于其特殊的物理性能和力学性能而引起科学家们的广泛兴趣，同时也促进了气相生长炭纤维在纳米尺度上即气相生长纳米炭纤维的研究。

气相生长纳米炭纤维一般以过渡族金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，氢气为载气，在873K～1473K下生成的一种纳米尺度炭纤维。它与一般气相生长炭纤维(VGCF)所不同的是，纳米炭纤维除了具有普通VGCF的特性如低密度、高比模量、高比强度、高导电等性能外，还具有缺陷数量非常少、比表面积大、导电性能好、结构致密等优点，可望用于催化剂和催化剂载体、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等。Tibbetts［2］在研究了VGCF的物理特性以后，发现小直径气相生长炭纤维的强度比大直径的强度要大。

Endo［3］用透射电镜观察到气相生长法热解生成的炭纳米管和电弧法生成的炭纳米管的结构完全相同。所有这些，都使气相生长纳米炭纤维的研制工作进入了一个新阶段。

另外，从图1的直径分布来看，纳米炭纤维处于普通气相生长炭纤维和纳米炭管之间，这决定了纳米炭纤维的结构和性能处于普通炭纤维和纳米炭管的过渡状态，因而，研究普通炭纤维、纳米炭纤维、纳米炭管的结构和性能的差异将具有重要的意义。

2气相生长纳米炭纤维的制备方法与影响因素

刘华的实验结果表明VGCF的强度随着直径的减小而急剧增大［4］。Tibbetts［2］在研究VGCF的物理特性时，也预测小直径的VGCF要比大直径的VGCF强度要大得多。由于VGCF的直径主要是由催化剂颗粒的大小来决定的［5］，因此大批量生产VGCNF的关键问题是催化剂颗粒的细化。

目前，VGCNF的制备主要有三种方法：基体法［6，7］、喷淋法或者流动催化剂法［8］和改进的流动催化剂法［9］。所谓的基体法是将石墨或陶瓷作基体，施以纳米级催化剂颗粒做“种籽”，高温下通入碳氢气体化合物，在催化剂的作用下碳氢气体分解并在催化剂颗粒的一侧析出纳米级纤维状炭。例如，Rodriguez［10］在基体上喷洒超细催化剂粉末，即用所谓的基体法高温降解碳氢化合物气体制备出50nm～80nm的VGCNF。这种基体催化剂方法可以制备出高质量的VGCNF。但是，超细催化剂颗粒的制备非常困难，在基体上喷洒不均匀，而且纳米炭纤维只在有催化剂的基体上生长，因而产量不高，不可能工业化生产。Tibbetts［8］用喷淋法或者流动催化剂法在一个垂直的炉子里成功地制备出了50nm～100nm的VGCNF。虽然这种方法提供了大量制备VGCNF的可能性，但是由于催化剂与碳氢气体化合物的比例难以优化，喷洒过程中铁颗粒分布不均匀，且喷洒的催化剂颗粒很难以纳米级形式存在，因此在制备纤维的过程中纳米级纤维所占比例少，而且总是伴有大量的炭黑生成。

【摘要】分析竹炭纤维和聚乳酸纤维的性能特点及现有竹炭纤维和聚乳酸纤维混纺纱产品，提出了开发竹炭/聚乳酸纤维混纺纱及其值

>> 对位芳纶纤维与莫代尔纤维混纺纱的生产实践 菠萝叶纤维与大豆蛋白纤维混纺纱 粘胶/竹纤维/醋酸长丝混纺纱的研发 蚕蛹蛋白纤维混纺纱的生产实践 开发多纤维混纺纱的生产实践 高比例弹性短纤维混纺纱的开发与质量控制 竹浆纤维/长绒棉/竹炭纤维混纺针织纱开发及性能测试 大豆纤维/棉混纺纱线性能与混纺比关系的研究 铜氨/PorelTM纤维涡流混纺纱生产实践 混纺纱线中纤维的分布测试算法 棉/芦荟纤维混纺纱线开发及性能测试 负离子丙纶纤维／粘胶／棉混纺纱工艺的可纺性研究 聚乳酸纤维的性能特点与产品开发前景 聚乳酸(PLA)纤维/羊毛混纺产品定量化学分析方法的探讨 多组分混纺纱线的开发与生产 大麻混纺纱线的开发与生产 竹炭纤维―新世纪的理想化工材料 刻鹄类鹜:竹炭纤维行业难解的迷局 竹炭纤维的性能及其应用探讨 咖啡炭纤维混纺针织面料的开发与性能研究 常见问题解答 当前所在位置：, 2007-4-20

[7][15] 赵博. 聚乳酸纤维的特性及开发应用展望[J]国外丝绸 , 2005,(03):51~53 .

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1气相生长纳米炭纤维概述

炭纤维是一种主要以sp2杂化形成的一维结构炭材料。根据其合成方式和直径不同可分为：有机前躯体炭纤维（PAN基、粘胶丝基、沥青基炭纤维）、气相生长炭纤维(Vapor-growncarbonfiber简称VGCF)、气相生长纳米炭纤维(Vapor-growncarbonnanofiber简称VGCNF)、炭纳米管（carbonnanotube简称CNT），如图1所示。自从1991年Iijima［1］发现纳米炭管以来，由于其特殊的物理性能和力学性能而引起科学家们的广泛兴趣，同时也促进了气相生长炭纤维在纳米尺度上即气相生长纳米炭纤维的研究。

气相生长纳米炭纤维一般以过渡族金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，氢气为载气，在873K～1473K下生成的一种纳米尺度炭纤维。它与一般气相生长炭纤维(VGCF)所不同的是，纳米炭纤维除了具有普通VGCF的特性如低密度、高比模量、高比强度、高导电等性能外，还具有缺陷数量非常少、比表面积大、导电性能好、结构致密等优点，可望用于催化剂和催化剂载体、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等。Tibbetts［2］在研究了VGCF的物理特性以后，发现小直径气相生长炭纤维的强度比大直径的强度要大。

Endo［3］用透射电镜观察到气相生长法热解生成的炭纳米管和电弧法生成的炭纳米管的结构完全相同。所有这些，都使气相生长纳米炭纤维的研制工作进入了一个新阶段。

另外，从图1的直径分布来看，纳米炭纤维处于普通气相生长炭纤维和纳米炭管之间，这决定了纳米炭纤维的结构和性能处于普通炭纤维和纳米炭管的过渡状态，因而，研究普通炭纤维、纳米炭纤维、纳米炭管的结构和性能的差异将具有重要的意义。

2气相生长纳米炭纤维的制备方法与影响因素

刘华的实验结果表明VGCF的强度随着直径的减小而急剧增大［4］。Tibbetts［2］在研究VGCF的物理特性时，也预测小直径的VGCF要比大直径的VGCF强度要大得多。由于VGCF的直径主要是由催化剂颗粒的大小来决定的［5］，因此大批量生产VGCNF的关键问题是催化剂颗粒的细化。

目前，VGCNF的制备主要有三种方法：基体法［6，7］、喷淋法或者流动催化剂法［8］和改进的流动催化剂法［9］。所谓的基体法是将石墨或陶瓷作基体，施以纳米级催化剂颗粒做“种籽”，高温下通入碳氢气体化合物，在催化剂的作用下碳氢气体分解并在催化剂颗粒的一侧析出纳米级纤维状炭。例如，Rodriguez［10］在基体上喷洒超细催化剂粉末，即用所谓的基体法高温降解碳氢化合物气体制备出50nm～80nm的VGCNF。这种基体催化剂方法可以制备出高质量的VGCNF。但是，超细催化剂颗粒的制备非常困难，在基体上喷洒不均匀，而且纳米炭纤维只在有催化剂的基体上生长，因而产量不高，不可能工业化生产。Tibbetts［8］用喷淋法或者流动催化剂法在一个垂直的炉子里成功地制备出了50nm～100nm的VGCNF。虽然这种方法提供了大量制备VGCNF的可能性，但是由于催化剂与碳氢气体化合物的比例难以优化，喷洒过程中铁颗粒分布不均匀，且喷洒的催化剂颗粒很难以纳米级形式存在，因此在制备纤维的过程中纳米级纤维所占比例少，而且总是伴有大量的炭黑生成。

根据国家环保局统计，我国主要河流普遍存在有机污染，湖泊的水体富营养化严重，饮用水安全程度急速下降，而工业废水是水源污染的主要来源之一。目前被广泛运用的废水处理方法有化学法、物理法、生物法，以及这些方法的综合利用。电吸附技术用于废水处理具有安全、能耗低、无二次污染等优点，业界对其的关注度日益增长。在电吸附过程中，具有吸附作用的电极材料起着非常重要的作用。与金属电极材料相比，新型炭材料具有更大的比表面积，良好的孔结构，化学惰性表面，一直是电吸附电极的首选材料。近几年，国内外主要研究包括以活性炭、活性炭纤维作为电极的电吸附技术。普通的活性炭在作电极的时候，往往需辅以高分子粘合剂成型，使得电阻增大。而活性炭纤维不仅具有丰富且分布窄的1～3nm的微孔，使其具有1000～3000m2/g的高比表面积，而且纤维直径一般在10～13μm之间，外表面积可达1.5～2m2/g，另外，还含有一定量的以羧基、羟基、羰基为主的含氧基团，容易与吸附质接触，扩散阻力小；且相对于粉末活性炭和粒状活性炭，其吸附和脱附速度更快，有利于吸附分离，所以被广泛应用于废水处理中。

1电吸附处理废水的基本原理

1.1电吸附理论及双电层模型在电吸附体系中，由于电极与溶液的分界面上存在一个具有电容特性的，可以进行充电放电的双电层，使得电极提供电子或正电荷充当充电电荷，而溶液提供阳离子或阴离子用以充当放电电荷。在这个体系上施加不发生化学反应的电压的情况下，电极充电时水中的离子将会富集在电极上（见图1）。这样，如果电极具有一定的吸附作用，水中这部分富集离子将会被吸附。

1.2电吸附过程中的吸附作用性ACF，然后调控ACF表面使其Zeta电位为0mV，再测溶液的pH值分别为8.2、

1.3电吸附过程中的化学反应很多研究表明在活性炭纤维电吸附处理废水的过程中，ACF所起的作用不仅仅是吸附作用。Fan等人在使用活性炭纤维对苋菜红偶氮染料进行电吸附研究中发现，当电压高于0.6V时其阳极极化曲线上出现明显的氧化峰，说明在该体系里较高的电位会导致染料的氧化和降解。易芬云研究证实了ACF表面的羟基、酚羟基以及碱性基团能起到催化作用。陈水挟通过实验也发现某些有机物在吸附过程中可以使ACF发生氧化还原过程。2.2。这表明了pH值会影响ACF表面的Zeta电位。

2活性炭纤维电吸附处理废水的影响因素

2.1活性炭纤维电吸附动力学Han通过实验证实了活性炭纤维电吸附过程能更好地与Langmuir曲线拟合。从大量文献中发现，随着时间的增加，溶液中的吸附质浓度减小，而当溶液中的吸附质浓度减小到一定程度，或该吸附反应进行到一定时间，吸附质浓度保持稳定。Conway的实验也表明：在其他条件不变的情况下，ACF对NaSCN的吸附曲线也符合第一吸附理论。

2.2pH值的影响在利用电吸附方法处理含NaCl结晶紫染料废水的实验中，当pH值分别为3.0、5.5、7.0、9.1时，观察脱色率与时间的变化图线发现，在pH值为7.0时脱色效果最佳；当pH值为3.0时，脱色效果最差。研究人员认为这是因为当废水中存在Cl－时，Cl－会在活性炭纤维电极上被氧化生成ClO－，进而氯氧化溶液中的有机物。此时，溶液的pH值直接影响了ClO－的多少，从而影响活性炭纤维电吸附水处理的效果。另外，在Huang等人研究了用硝酸和壳聚糖溶液分别改Ania等人用ACF电吸附除去水中灭草松发现：采用+5mA的阳极极化电流电吸附60min可以去除溶液中90%以上的灭草松，180min吸附率接近100%。研究认为ACF电吸附增加对灭草松的吸附能力的机理有两点：一是灭草松的分子结构中的共轭芳环与ACF表面极性基团间相互作用；二是吸附质灭草松与ACF表面的正电荷的静电作用。利用ACF电吸附法去除水中有机染料的研究也很广泛。Fan等人也利用ACF纤维对苋菜红偶氮染料进行电吸附处理，发现在恒电流模型下发现脱色是由电解还原、电吸附吸附和电氧化三种机理共同作用的结果。

为了最大限度的发挥传统纤维复合材料优异的性能，需要保证良好的纤维／基体界面性能，使应力传递更充分。常用于增强复合材料界面性能的方法主要集中在两方面：一、对纤维表面进行处理，增加比表面积或者化学改性［1－4］，使之能与基体形成更强的相互作用；二、向基体中加入各种填料进行改性，令其能更好地浸润纤维［5］，或者直接增强基体的性能［6］，从而提高纤维／基体的界面性能。表面处理会在一定程度上降低纤维的强度，进而损失复合材料的整体性能，添加填料则可避免整体性能的损失，同时也更方便工业推广。纳米材料由于大的比表面积和优异的力学性能等被广泛应用于复合材料的增强改性，在改性环氧树脂基体［7］的同时可以提高纤维／树脂界面的性能［8，9］。Go－jny等［10］发现炭纳米管有助于提高环氧树脂基玻璃纤维复合材料的层间抗剪强度。Haque等［11］用片层状石墨增强玻璃纤维／环氧树脂复合材料，发现1％（质量分数，下同）石墨的加入可以使复合材料的平面抗剪强度、抗弯强度和断裂韧性分别提高了44％，24％和23％。Manjumatha等［12］发现10％二氧化硅纳米颗粒的加入可以使玻璃纤维增强聚合物复合材料的抗疲劳半衰期提高了2～3倍。对于纤维与基体界面性能的测定方法有很多种，一类是宏观尺度上的纤维增强复合材料测试，这类方法实验参数可标准化，其结果可直接作为工业应用参考［13］，但制备纤维增强复合材料所消耗的时间和财力均相当可观，不适合实验室级别的研究。另一类是微观尺度上的单纤维测试［14］，包括拔出法、压入法和单纤维断裂法等。微观实验方法可以获得直观的界面失效信息，相关理论也较成熟。相比其他微观实验方法，单纤维断裂实验（SFC）由于具有包含信息量大，测试结果重复性和可靠性高等特点［15］被广泛采用。本工作采用SFC法，研究了涂覆在炭纤维表面和分散在环氧树脂基体中的二氧化硅纳米颗粒对炭纤维／环氧树脂复合材料界面性能的影响。通过对界面抗剪强度，复合材料断面等信息的分析探讨了二氧化硅纳米颗粒增强界面的机理。

1实验方法

1．1材料及制备实验用环氧树脂型号为nanopoxE470，包含25％的球形二氧化硅纳米颗粒，同类型双酚A类纯环氧树脂DGEBA，固化剂为胺类固化剂HE600，Nanoresin公司；抗开裂剂聚癸二酸酐PSPA，温州清明化工公司。实验用纤维为高模量炭纤维，日本东丽公司。纤维置于丙酮溶液中抽提24h以除去生产过程中涂覆在其表面的环氧树脂涂层。通过抽提后炭纤维的质量变化确认涂层的除去。将除去环氧树脂涂层的纤维束置于分散了50％二氧化硅纳米颗粒的丙酮溶液中（德国Merck公司），此溶液中不含环氧树脂，于50℃恒温水浴中超声4h，取出后烘干除去丙酮溶液，制成表面涂有纳米颗粒的炭纤维。将表面涂覆二氧化硅纳米颗粒的纤维经马弗炉800℃灼烧3h，质量分析显示纳米颗粒含量为4．9g／m2。将经抽提处理表面有纳米颗粒和无纳米颗粒的两种纤维单丝从纤维束中抽出，粘贴在哑铃状不锈钢模具中央，然后将混合了固化剂和抗开裂剂的环氧树脂从一端连续地浇注到模腔中，浇注后置于烘箱中按如下程序进行固化：90℃×30min，120℃×60min，140℃×30min，160℃×120min，固化完成后缓慢冷却至室温。表面无二氧化硅纳米颗粒炭纤维／纯环氧树脂复合材料体系代号为A0，表面无二氧化硅纳米颗粒／25％二氧化硅纳米颗粒基体复合材料体系代号为A14，表面有二氧化硅纳米颗粒／纯环氧树脂体系代号为A0S。1．2样品测试哑铃状单纤维样品被0．001％s－1的拉伸速率缓慢连续拉伸，用平行放置的加有偏振片的光学显微镜观察20mm量距内纤维断裂数、纤维断裂长度和断点附近形貌等信息。扫描电子显微镜（S－4800），被用于观察在单纤维断裂实验中被破坏的样品断面。场发射透射电子显微镜（TecnaiG2F20U－TWIN）被用于观察二氧化硅纳米颗粒在环氧树脂中的分散状态。树脂基体力学性能的测试按照美国材料与试验协会（ASTM）D－638标准进行。

2实验结果与讨论

2．1材料基本性能表征图1为炭纤维和环氧树脂基本性能表征。图1（a）为包含25％二氧化硅纳米颗粒的环氧树脂基体透射电镜照片。从图中可以观察到，二氧化硅纳米颗粒均匀分散在环氧树脂基体中，平均直径约为25nm。25％二氧化硅纳米颗粒的加入将环氧树脂基体的抗拉强度和弹性模量从60．2MPa±3．7MPa和2．37GPa±0．04GPa提高到了73．6MPa±5．5MPa和3．85GPa±0．24GPa，分别有22．2％和62．4％的提高。这使得纳米颗粒在提高基体力学性能的前提下，增强纤维／树脂界面性能成为可能。图1（c），（e）为炭纤维表面涂覆二氧化硅前后的SEM照片，图1（d），（f）为二氧化硅涂覆前后的EDS能谱。从图1（e），（f）可以看出，二氧化硅纳米颗粒均匀地覆盖了炭纤维表面，经计算，表面覆盖二氧化硅含量约为4．9g／m2。

2．2单纤维断裂测试单纤维断裂实验中的双折射现象可以动态监测复合材料的破坏过程。在偏光显微镜下，纤维断点周围出现以断点为中心向外逐步减弱的蝴蝶状双折射光斑，主要是材料的界面剪切和摩擦应力造成的［16］。胡蝶状光斑代表良好界面，而狗棒状光斑代表脱粘界面。在较低应变下，三种体系断点处的双折射光斑均呈蝴蝶状（见图2（a），（b），（f），（g），（k），（l）），这表明在低形变下，炭纤维与基体黏结良好，不同体系差异不大。随着基体应变的增加，复合材料断点数按A0，A0S，A14的顺序逐渐增加（见图2（m），（h），（c））。在约2．0％基体应变时，A0体系炭纤维断点不再增加并出现脱粘现象，开始出现断点处脱粘现象，而A0S和A14体系仍然黏结良好（图2（d），（i），（n）），以上信息表明复合材料中的纳米颗粒的存在在一定程度上抑制了界面脱粘的发生，改善了界面性能。图2（（e），（j），（o））为撤销载荷后的样品双折射光斑，图中箭头指向纤维断点，可以发现A14体系的断点处出现了明显的基体开裂，A0S体系的基体开裂要小一些，而纯树脂体系的基体只有一条细微的裂缝，这种差异也反映了三种体系界面黏结性能的差异。当复合材料受外力作用时，纤维由于延伸率较低而首先断裂，纤维断点成为材料中的缺陷，形成应力集中点，由于此时界面剪切较强，不能迅速脱粘或产生滑移，以缓解应力集中，从而导致基体在应力集中点产生破坏，形成一条成锐角的裂缝。如果界面黏结良好，裂缝将沿着基体扩展；如果界面作用不强，破坏将沿界面方向扩展，导致界面脱粘或者纤维拔出［17］。结合实验中观察到的现象，可以认为在环氧树脂基体中和炭纤维表面上含有二氧化硅纳米颗粒的体系拥有更好的界面性能。下面将通过定量的方法进一步表征这种增强作用。经典单纤维断裂测试样品通常是单根脆性纤维固化在相对韧性的基体中。随着基体应变的增加，纤维上开始出现断点，且断点数不断增多，纤维断裂片段的长度相应减小。当纤维所受应力不再大于断裂纤维片段的断裂强度时纤维上断点不再增加，此时纤维处于饱和断裂状态，断裂纤维片段的长度被称为临界断裂长度［18］。Kelly和Tyson基于简化的界面力平衡方程［19］，得出了用来计算界面抗剪强度（IFSS）的表达式：式中：σf和d分别为纤维的临界抗拉强度和直径；lc是临界断裂长度。根据式（1），只要得出临界断裂长度就能计算出界面抗剪强度。A0，A0S和A14的饱和临界断裂长度分别为382．2μm±18．3μm，347．7μm±19．0μm和333．9μm±16．2μm。通过式（1），三种体系的IFSS分别为30．1MPa±1．3MPa，33．2MPa±1．2MPa和34．5MPa±1．4MPa，见图3。A0体系纤维表面4．9g／m2的二氧化硅纳米颗粒将IFSS提高了10．0％，而A14体系树脂基体中25％的纳米颗粒将IFSS提高了15．0％。在A14体系中，纳米颗粒在纤维表面含量约为5．4g／m2，与A0S的4．9g／m2相当，因此A14体系更高的IFSS可能来源于树脂基体高的抗剪强度的贡献［20］。综合以上信息，二氧化硅纳米颗粒起到了提高炭纤维／环氧树脂界面抗剪强度和抑制界面脱粘现象的作用。分散于基体中和涂覆在炭纤维表面的纳米颗粒均可以起到提高界面性能的作用。

2．3断面形貌分析由图1（b）和图4可见，A14体系断面处可见大量均匀分散的二氧化硅纳米颗粒，纤维和树脂基体之间的黏结良好，没有出现界面脱粘现象；与A14体系类似，A0S体系拥有类似的界面黏结状态；A0体系断面则表面十分光滑，出现明显的界面脱粘现象。以上信息表明，均匀分散在基体中和涂覆在炭纤维表面的二氧化硅纳米颗粒提高了纤维／树脂界面的黏结性能。Lew等［21］用简单的超声方法将3．5％（质量分数）的二氧化硅纳米颗粒分散于环氧树脂中，发现纤维／树脂界面性能并未提高。二氧化硅纳米颗粒分散状态可能是导致不能提高界面抗剪性能的主要因素。本工作所采用的二氧化硅纳米颗粒通过溶胶－凝胶方法制备得到，可以实现在基体中的均匀分散，因此纳米颗粒的分散状态可能是A0S和A14体系纤维／树脂界面提高的重要原因。另一方面，二氧化硅纳米颗粒的平均尺寸是25nm，有利于将纳米颗粒镶嵌到沟槽中形成锁扣结构增强两相界面［22］。

3结论

摘要：

竹炭纤维以毛竹为原料，采用先进的工艺和技术使得竹炭天生具有的微孔更细化和蜂窝化，从而具备超大的比表面积和超强的吸附力。介绍了近年来竹炭纤维在纺织品中的研究进展，对其主要性能及其在纺织品领域中的应用范围进行了比较详细的阐述和探讨，同时对该类复合织物的应用前景进行了展望。

关键词：竹炭纤维；性能

1 竹炭纤维简介

竹炭纤维是取毛竹为原料，采用了纯氧高温及氮气阻隔延时的煅烧新工艺和新技术，使得竹炭天生具有的微孔更细化和蜂窝化，然后再与具有蜂窝状微孔结构趋势的聚酯改性切片熔融纺丝而制成的[1-2]。该纤维最大的与众不同之处，就是每一根竹炭纤维都呈内外贯穿的蜂窝状微孔结构[3]。这种独特的纤维结构设计，能使竹炭原来所具有的优良性能100%地发挥出来。由于竹炭纤维的功能“与生俱来”具有永久性，因此不受洗涤次数的影响。

2 竹炭纤维主要性能

2.1 超强吸附力

竹炭的比表面积是木炭的3倍以上，吸附能力更是木炭的5倍以上。其多孔质致密结构对硫化物、氮化物、甲醇、苯、酚等有害化学物质能够实现充分吸收，同时具有分解异味和消臭的作用。普通粘胶纤维的氨去除率只有17.4%，而将竹炭纤维与粘胶纤维相结合后，新纤维的氨去除率可达到54%[4]。竹炭纤维对以下物质的吸附率分别为：甲醛，16.00%～19.39%；苯， 8.69%～10.08%；甲苯，5.65%～8.42%；氧，22.73%～30.65%；三氧甲烷，40.68%，且对这些物质的持续吸附时间均可达24天以上。

《新型炭材料杂志》2016年第二期

摘要:

测试了不同规格T700级炭纤维的表面形貌和起毛量，设计和模拟预浸料制备过程中的炭纤维损伤实验，考察了预浸料制备过程中各关键环节的炭纤维力学性能，并测试了复合材料基本力学性能和观察了复合材料90°拉伸破坏试样断面形貌，最后结合上述实验结果对T700级炭纤维复合材料基本力学性能进行了对比与分析。结果表明，A-3K和A-12K炭纤维表面粗糙度大，炭纤维与树脂基体机械锚定力大，可在一定程度上提高复合材料界面黏结性能;T700SC-12K炭纤维表面光滑，准直度较高，耐磨性最好，预浸料制备过程中炭纤维损伤最小，炭纤维性能转化率最高，T700SC-12K/QY9611复合材料0°拉伸强度最高;A-12K/QY9611复合材料界面性能与A-3K/QY9611复合材料相当，但拉伸性能略低。

关键词:

T700级炭纤维;预浸料;复合材料;力学性能

1前言

先进复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点，是满足航空结构高性能化、轻量化要求的理想结构材料，已成为继木、钢、铝合金、钛合金之后航空领域的主体材料［1，2］，其在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一［3］。作为先进复合材料的增强体，炭纤维占复合材料质量分数的60%～70%，主要起承载作用，对复合材料性能有重要影响。炭纤维行业经50多年的发展，以日本Toray(东丽)和美国Hexcel(赫克塞尔)为代表的先进材料制造商已实现炭纤维标准化、系列化、通用化、实用化，并重点实现航空应用炭纤维的自主保障，如美国第四代战机F-22即选用Hexcel生产的IM7炭纤维［4］。近年来，中国学者大量开展了中国产炭纤维复合材料的研发和应用研究工作，重点关注上浆剂和炭纤维表面物理化学特性对复合材料界面和湿热性能的影响研究［5-9］，但对不同的T700级炭纤维和复合材料性能差异及其影响规律未进行深入研究，同时未开展不同规格即不同丝束大小对复合材料性能的影响研究。笔者选用中国产A-3K炭纤维、A-12K炭纤维和T700SC-12K炭纤维为研究对象，首先采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察炭纤维表面形貌，然后通过炭纤维耐磨性实验和模拟预浸料制备过程中的炭纤维损伤实验来考察不同规格炭纤维的工艺性和力学性能损伤情况，测试复合材料力学性能，并对复合材料90°拉伸破坏试样断面形貌分析，最后对T700级炭纤维复合材料性能进行对比研究和原因分析，以期为T700级炭纤维复合材料的应用提供一定的数据支撑和参考依据。

2实验

炭纤维复合材料的力学性能不仅取决于增强体和基体的性能，还与复合材料界面的性能有密切关联［1］。随着国产炭纤维的发展，航空结构用国产炭纤维的性能不断提高，而纤维与树脂匹配性和界面性能的控制问题愈加凸显，体现出我国对炭纤维特性与界面性能之间的关联及主控因素认识深度和基础研究不足，影响了炭纤维性能的发挥、纤维研制水平的提高以及炭纤维在航空结构上的高效可靠应用。因此，应深入研究国产炭纤维特性对界面性能的影响，为炭纤维的改进、提高和国产炭纤维在航空复合材料结构上的应用提供依据。以单丝拔出、微脱粘、单丝顶出、单丝断裂等为代表的微机械法是研究界面性能的重要手段［2－4］，其中基于Kelly－Tyson模型的单丝断裂法［5］可以得到界面剪切强度和界面区应力传递过程中的信息，在炭纤维表面改性和树脂研制中经常被采用。该方法要求基体树脂的断裂延伸率是纤维的3倍以上［6］，而对于许多高性能的树脂体系，如航空航天结构复合材料用环氧树脂，其断裂延伸率不能满足上述要求，无法测试得到其界面剪切强度。针对这种情况，本课题组采用基于能量守恒原理的WND能量模型（Wagner－Nairn－De－tassis模型）［7，8］，通过单丝断裂法测试得到了炭纤维／树脂界面断裂能，为评价此类复合材料体系的界面性能提供了新的方法。本工作针对5种国产炭纤维和两种进口炭纤维，研究了纤维表面的物理和化学特性，采用基于WND能量模型的单丝断裂法测试了炭纤维与一种航空结构用高温固化环氧树脂体系的界面断裂能，进而对比分析了炭纤维力学性能、表面特性及上浆剂与界面断裂能的关联，为炭纤维的研制和炭纤维／树脂匹配性的评价提供了重要的实验依据。

1实验材料及方法

1．1材料本工作研究了7种炭纤维，包括T300B、T700SC和5种国产炭纤维，其力学性能如表1所示，其中CF－1与CF－2、CF－4与CF－5的纤维本体和表面处理工艺相同，但上浆剂种类不同。树脂采用180℃固化的航空用环氧树脂体系，由北京航空材料研究院提供。采用索氏萃取法在70℃丙酮溶液中提取24h后干燥得到去剂炭纤维，提取的丙酮溶液挥发后得到炭纤维的上浆剂（7种炭纤维上浆量1．2％～1．3％），其中CF－1与CF－4采用了同一种上浆剂。

1．2纤维表面化学组成分析采用Nicolet公司的560型红外光谱仪对萃取得到的上浆剂进行红外光谱分析，扫描范围400～4000cm－1。采用ULVAC－PHI公司的PHIQuanteraSXMTM型X射线光电子光谱仪，XPS分析炭纤维表面元素含量采用Al阳极靶，能量分辨率为0．5eV，分析室真空度为6．7×10－8Pa。特征峰拟合采用扣积分背底，高斯－洛仑兹混合函数双拟合。

1．3纤维表面形貌与粗糙度测试纤维表面形貌采用Camscan公司的Apollo300型场发射扫描电子显微镜对表面喷金后的炭纤维放大1万倍进行表征。采用Veeco公司的Dimensionicon型原子力显微镜测试纤维表面粗糙度，扫描区域为3μm×3μm，通过原子力显微镜自带的NanoScopeAnlysis软件处理得到粗糙度。

1．4单丝复合体系界面断裂能的测试单丝断裂测试（SFFT）用试样类型为ASTM－D638标准中的狗骨型试样，如图1所示，试样的固化工艺为130℃／1h，180℃／2h，190℃／3h［9］。采用单丝拉伸仪对试样进行测试，通过测得的纤维第一个断点（初始断点）的脱粘长度Ld以及纤维断裂时的拉伸应力，按WND模型可求得界面断裂能Γi。WND模型考虑了纤维断裂、纤维／树脂脱粘以及纤维断口附近树脂局部开裂等力学行为的影响。界面断裂能计算公式如式（1）所示［9］：式中：Γf为纤维断裂能；Ld为初始断点脱粘长度；rf为纤维半径；Ef为纤维杨氏模量；Gf为纤维剪切模量；rm为树脂有效半径，即在单丝复合材料体系中，与纤维作用的有效树脂半径，计算中取rm＝12rf；Gm为树脂剪切模量；σf∞为纤维远端应力，除测试时所受的拉伸应力σm外，还包括固化过程产生的热残余应力σfth以及热残余应力计算公式如式（4）所示，因炭纤维轴向热膨胀系数极小，忽略纤维热膨胀的影响。实验中每种情况测试6～10根试样。

2结果与讨论

2．1炭纤维表面物理化学特性分析（1）炭纤维表面形貌与粗糙度分析首先分析了7种炭纤维的表面形貌，其结果如图2所示。从图2中可以看出，T700SC表面光滑，几乎没有沟槽，而其他6种纤维表面均有明显的沟槽。为了进一步区分这些纤维的表面粗糙程度，采用原子力显微镜得到了其表面粗糙度，结果如表2所示。由表2得出的粗糙度值可以看出T300B最为粗糙，而CF－1和CF－2表面较为平整；T700SC表面粗糙度最低。考虑到AFM扫描范围的限制和测试的误差，可以认为除T700SC以外，其他几种炭纤维的表面粗糙程度相近。（2）炭纤维上浆剂性质分析7种炭纤维的上浆剂的红外光谱测试结果如图3所示。从图3可以看出，7种炭纤维上浆剂的红外光谱图在914cm－1均有对应的峰，说明这几种上浆剂都含有环氧基团；T700SC，CF－1，CF－4，CF－5在3500cm－1含有—OH基团，而T300B，CF－2和CF－3则含有部分的—NH2基团；从峰位置和吸收率可以看出，CF－1和CF－4的红外谱图重合，可知它们为同一种上浆剂；CF－4和CF－5在峰位上基本一致而峰的强弱不同，说明其上浆剂中含有相同的组分，但组分含量不同。而CF－1和CF－2的上浆剂不仅峰位不同峰强弱也不同，即所含官能团的种类不同，说明它们的上浆剂组分不同。为了进一步分析上浆剂的化学组成，对7种炭纤维做了XPS测试，得到C，N，Si，O四种元素的组成（因为Si的含量极少，可能是空气中的灰尘所致，故不分析Si含量），C，N，O含量结果如表3。由表3可以看出七种纤维上浆剂中主要元素均为C和O，其中T300B，CF－2和CF－3中含有较多的N，而其他炭纤维中含很少量的N或不含N，这和红外光谱指出的T300B，CF－2和CF－3上浆剂中含有—NH2的结果是吻合的。此外，不同纤维的O／C不同，进一步说明几2．2炭纤维／环氧界面断裂能与影响因素研究界面断裂能［9，10］是表征界面韧性的一个指标，类似于复合材料层板用GⅠc，GⅡc表征其韧性，界面断裂能也是从能量的角度来评价界面韧性的。因此，采用单丝断裂能量法测试了7种炭纤维及其去剂纤维和环氧树脂复合后的界面断裂能，其结果如图4（a）所示。由图4（a）可知，7种炭纤维去剂后的界面断裂能均低于未去剂炭纤维，说明炭纤维上浆剂对界面韧性的提高是有益的。分析原因认为，在固化过程中上浆剂与纤维表面和树脂基体会发生反应，形成区域的化学组成和力学性能与树脂基体不同，该区域增大了界面的厚度同时减小界面区的应力集中，从而增大了界面的韧性［11］。由图4（b）可看出T700SC的初始断点脱粘长度较长，CF－4和CF－5的初始断点脱粘长度较短。对应表2粗糙度的值，发现炭纤维表面较为粗糙时测得脱粘长度较短，界面断裂能比较高。对于T700SC，CF－4和CF－5而言，其抗拉强度在4800～4900MPa，非常接近（见表1），而T700SC的界面断裂能远小于CF－4和CF－5，去除上浆剂后T700SC的界面断裂能仍明显小于CF－4和CF－5，说明上浆剂种类的不同不是导致界面断裂能存在差异的主要原因。如前所述，除了上浆剂，3种炭纤维的表面粗糙度差异较大，T700SC最光滑，且其粗糙度远低于CF－4和CF－5，不利于界面黏结［12，13］。对于T300B，CF－1，CF－2和CF－3这4种炭纤维，它们的抗拉强度在3800MPa左右（见表1），且其粗糙度相差不多，只是上浆剂不同，且其去剂纤维的界面断裂能也没有很明显的差异，说明对于性能相近的炭纤维，其表面粗糙度决定了界面断裂能。已知CF－1／CF－2与CF－4／CF－5是上浆剂不同纤维本体相同的炭纤维，它们的强度和表面粗糙度都基本相同，得出的界面断裂能也相差不多。CF－1和CF－4采用了相同的上浆剂，且其表面粗糙度相近，但CF－4的拉伸强度大于CF－1，对应的界面断裂能CF－4也要远大于CF－1。由界面断裂能的计算公式（1）可知，界面断裂能与纤维远端应力的平方成正比［9］，并且由图5可以发现单丝复合体系初始断点的远端应力平均值与纤维本身的拉伸强度接近，去除上浆剂后的CF－1和CF－4的远端应力值也主要决定于它们各自纤维本体的强度，因此纤维拉伸强度对界面断裂能有重要影响。对于相同拉伸性能级别的炭纤维而言，如T300B，CF－1，CF－2和CF－3以及CF－4和CF－5，粗糙度差别不明显，但其界面断裂能仍有差异，这主要与上浆剂的性质有关，表3和图3的结果已表明上浆剂的种类和化学性质存在差异，而上浆剂会影响界面形成的过程，进而影响界面的性能［14，15］。但是与纤维拉伸强度和纤维表面粗糙度相比，上浆剂的性质对界面韧性的影响相对较小。

“竹炭纤维”取材于毛竹，它和“竹原纤维”、“竹浆纤维”都是竹纤维大家庭中的一员。实际上，竹炭纤维就是一种加了竹炭的化学纤维。目前，我国纺织服装市场上常见的是竹炭聚酯类纤维和竹炭粘胶类纤维。

竹炭粘胶类纤维是选用优质山野毛竹制得的竹香炭，经过特殊加工工艺，粉碎成纳米级超细粉体，然后添加入粘胶中，纺制出的功能性纤维。

竹炭聚酯类纤维将竹炭超细粉体添加进入聚酯切片里面，经过熔融法纺丝过程制得。从纤维特性来看，竹炭聚酯类纤维强力比竹炭粘胶类纤维高。不过，从吸附性能等竹炭所独有的特性来看，竹炭粘胶类纤维则略优于竹炭聚酯类纤维。

竹炭纤维一度被称之为纤维行业中的“黑钻石”，而竹炭纤维也被广泛应用于纺织服装制品。现在，竹炭纤维已经成为我国纺织服装行业的宣传亮点之一。然而，伴随竹炭纤维纺织服装产品在市场上火爆的同时，消费者对此类产品的投诉也越来越多，竹炭纤维产品的口碑也越来越差。眼下，“乱”似乎已经成为了竹炭纤维行业最真实的写照。

一声“炭”息，

全行业的意识形态

竹炭纤维作为人类对竹资源的深入开发而研制成功的，具有良好的吸湿性、导湿性和透气性等特点的新型纤维来说是值得肯定的。众所周知，中国是世界上最早利用竹材料的国家，同时也是最主要的竹子资源生产国，可加工利用的竹子涉及到40个属性，上百种。合理利用竹子这种生长周期短、可循环利用的资源对发展国民经济、保护生态环境有着重要意义。

竹炭纤维的炭质致密，比重比较大，分子呈六角形，类似于金刚石分子，质地比较坚硬，细密多孔。所以，竹炭纤维能够很好地吸附有害物质，达到防紫外线、除潮、除霉、除臭等作用。目前，竹炭纤维在我国老百姓的生活中应用已经非常广泛。但是，一部分唯利是图的经营者却将竹炭以及竹炭纤维的功能进行无限制的夸大宣传，以达到吸引消费者眼球、追求产品利益最大化的目的，从而导致了全行业的乱象愈演愈烈。

咖啡的醇香总是氤氲出许多令人回味的浪漫，但咖啡渣却往往无人问津，其归宿多半是垃圾箱。令人欣喜的是，上海德福伦化纤有限公司寻求创新，利用咖啡渣吸附异味能力强、除湿导汗快的特点，采用特殊工艺生产出咖啡炭纤维，使咖啡渣变成了纺织品材料。

咖啡炭纤维是基于什么理念开发的？其有哪些优势？市场应用情况又如何？记者就此采访了上海德福伦化纤有限公司技术中心副主任兼贸易信息部部长孔彩珍。

咖啡炭纤维的生产研发

记者：咖啡炭纤维的研发受到了什么启发？

孔彩珍：在产品开发实践中，我们看到，如今消费者追求高品质生活的意识不断增强，科技含量高、环保舒适而又设计时尚的功能性服装逐渐成为市场主流趋势和核心产品，我们正是基于咖啡渣的性能和市场需求，将环保时尚的理念融入产品，开发出了咖啡炭纤维。

以前市场上的保暖内衣，以阻止身体所发出的热量逃逸为主，这种被动的保暖方式，通过减少透气性和热量散失来达到保暖效果，内衣自身不会发热，是一种被动的保暖。

而咖啡炭纤维制成的咖啡炭内衣，具有主动发热性，即通过利用人体皮肤呼吸产生的湿气来达到发热的效果；并且，纤维中间部分含有静态的空气，能产生良好的隔温效果，纤维表面细微的沟槽所产生的毛细现象和特殊纺纱工艺，使多余的水分经蕊吸、扩散、传输等作用迅速吸收并散发。另外，咖啡渣也有吸附异味、可循环利用的特性。

记者：能否解释一下咖啡炭纤维的生产过程？