[发明专利]一种炭纤维的电化学表面改性方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学和纤维材料领域，具体涉及一种用于炭纤维(CF)表面改性的方法，用于提高CF的生物亲和性。 

背景技术

作为功能材料，CF被广泛用作树脂基复合材料中的增强材料，并通过表面处理工艺提高其与树脂基体的粘接强度。除了在工程材料领域中的应用之外，CF在环境保护领域也有广泛的应用，如刘朗等人(CN1250116A)通过对活性炭纤维的改性提高其脱除二氧化硫的能力、肖月竹等(肖月竹，王庆恩.活性炭纤维处理高浓度有机废水的研究[J].环境科技，1989，9(5)：46-48)利用活性炭纤维处理有机废水等。 

在污水处理领域，生物膜载体材料的制备与优化是生物膜法污水处理中的关键技术。目前，国内挂膜载体材料主要可分为硬填料、半软填料和软性填料等类别，其中软性和半软性填料的材质主要是聚丙烯、聚乙稀等高分子材料，但其对微生物的固着效果不佳。由于CF良好的生物相容性，可使大量微生物快速固着至其表面(小岛昭，佐藤诚.炭素织维の生物亲和性を活用レた新レい水环境保全技术[J].材料科学，1998，35(6)：25-32)，与传统生物膜载体材料相比有较明显的优势。 

生物膜在载体表面的固着量与固着强度是决定生物膜法污水处理效果的关键因素，而微生物固着至载体表面是生物膜形成的基础，且材料表面特性(如表面能、化学组成、亲水性、负电性和粗糙度等)对细菌或细胞在其表面的粘附性能有很大程度的影响(Jin Ho Lee，Sang Jin Lee，Gilson Khang，et al..The Effect of Fluid Shear Stress on Endothelial Cell Adhesiveness to Polymer Surfaces with Wettability Gradient[J].Journal of Colloid and Interface Science，2000，230(1)：84-90)。 

未经表面处理的CF表面较为光滑，表面活性碳原子较少。若能选择适当的表面改性的方法优化CF表面状态，则可提高CF对水中微生物的固着能力，从而进一步提高污水处理效果。所以寻找合适的表面改性方法是优化CF载体的主要问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种合适的CF表面改性方法，从而进一步提高CF的微生物固着性 能。 

本发明所提供的表面改性方法包括以下步骤：采用计时电流法对CF进行阳极氧化处理或表面电聚合处理，外加电压0.5-6V，反应温度20-35℃，反应时间5-150s；若为阳极氧化处理，电解质为酸、碱或铵盐，电解液浓度范围为0.1-5mol/L；若为电聚合处理，单质溶液为马来酸酐，单质溶液浓度0.1-2mol/L。 

其中，所述的电化学反应中以CF为阳极，石墨为阴极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极；所述酸为硝酸、硫酸、磷酸或乙酸；所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述铵盐为硫酸铵、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、碳酸铵或碳酸氢铵。电化学处理装置如图1所示。 

本发明通过在CF表面进行电化学反应，在表面引入含氧官能团，从而进一步提高CF的微生物固着性能。该发明是提高CF载体生物膜固着量的优良改性方法，在生物膜法污水处理领域有比较大的发展前景。 

附图说明

图1为电化学处理装置示意图：1、参比电极；2、炭纤维(阳极)；3、辅助电极；4、电解液或单质溶液；5、恒温水箱；6、电化学工作站。 

图2为阳极氧化处理后CF的扫描电镜(SEM)图：由于氧化作用，使得CF表面脂类上浆皮层脱落，纤维表面被氧化刻蚀，粗糙度明显提高。 

图3为表面电聚合处理后CF的扫描电镜(SEM)图：马来酸酐已聚合并包裹至碳纤维表面，粗糙度增加。 

图4为未经表面处理的CF的扫描电镜(SEM)图：表面较光滑，有轻微沟槽。 

具体实施方式

下述实施例中均采用扫描电镜(SEM)表征CF表面形貌；用X射线光电子能谱(XPS)表征CF表面含氧官能团含量；用平衡含水率(岑贞章，戴光泽，董立新等.表面处理对炭纤维挂膜性能的影响研究[J].重庆工学院学报(自然科学版)，2007，21(5)：18-20)表征CF亲水性；用CF的生物膜固着量(刘存平，戴光泽，岑贞章等.炭纤维阳极氧化对活性污泥固着性能的影响[J].材料开发与应用，2007，22(5)：32-35)表征CF载体的微生物固着性能。 

实施例1