[发明专利]以碳纤维和壳聚糖为原料制备吸附性能良好的吸附剂的方法

说明书

本发明公开了一种以碳纤维和壳聚糖为原料，制备出一种具有较好吸附性的复合材料的方法。首先用硝酸对清洗干净的碳纤维进行表面活化处理，然后将活化处理后的样品浸泡在壳聚糖溶液中并充分搅拌，让碳纤维表面与壳聚糖充分接触。最后用NaOH对该复合物进行固化，从而制备出一种碳纤维/壳聚糖复合材料。本发明将比强度高、耐高温、耐腐蚀的碳纤维和来源广、成本低、具有生物相容性和生物可降解性的壳聚糖通过上述工艺处理，得到了一种兼具这两种物质性能的吸附剂。可用于有色废水、染料、重金属的吸附富集或脱除，在环境修复、废水处理等多个领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种利用碳纤维和壳聚糖为原料制备出一种具有较好吸附性的复合材料的方法，属于天然非金属矿深加工和纳米材料制备技术领域。

背景技术

碳纤维是由含碳量高、且在热处理中不熔融的人造化学纤维经过化学、物理处理后制备获得。碳纤维及其复合材料具有耐高温、耐摩擦、导电、传热、抗疲劳、耐酸碱、比强度高和热膨胀系数小等性能。它既可以用作结构材料去承载负荷，也可以用作功能材料去发挥作用。同时碳纤维具有较大的表面积,可作为吸附材料,但由于其表面为低能界面,在实际应用中还存在改进的必要。

碳纤维是纤维状的炭材料，即其化学组成中碳元素占总质量的90％以上。根据碳原子结合方式的不同，碳元素可形成石墨、金刚石、卡宾等结晶态，也可形成非晶态的各种过渡态炭。由于碳元素的各种同素异形体的形态不同，其在空气中加热至350℃以上的高温就会发生不同程度地氧化。在隔绝空气的惰性气体氛围中(常压条件下)，碳元素在高温时不会熔融，但当温度上升到3800K的高温时碳元素将发生升华。碳在各种溶剂中不溶解，因此，碳纤维不能像一般合成纤维那样通过熔融纺丝或者使用溶剂进行干法或湿法纺丝来制取。与其它炭材料由有机物经气相、液相或固相等不同途径制备而成一样，碳纤维只能通过高分子有机纤维的固相炭化或者低分子烃类的气相热解生长来制取。

现代碳纤维工业化的路线是前驱纤维炭化工艺法，而所使用的3种原料纤维分别为聚丙烯腈纤维、沥青纤维和粘胶纤维。采用这3种原料纤维制造碳纤维的流程为：稳定化处理(在200～400℃空气，或用耐燃试剂等化学处理)，炭化(400～1400℃，氮气)和石墨化(1800℃以上，氩气气氛下)。为了提高碳纤维与复合材料基质的粘接性能需进行表面处理、上浆、干燥等工序。而另一种制造炭纤维的方法是气相生长法。即将甲烷与氢的混合气体在催化剂的存在下，放置在1000℃高温下反应，可制得不连续的短切碳纤维，最大长度可达50cm。其结构不同于聚丙烯腈基或沥青基炭纤维，具有易石墨化、力学性能良好、导电性高和易形成层间化合物。

壳聚糖(又叫壳糖胺、几丁聚糖、脱乙酰甲壳素等)英文叫Chitosan，简称CS，其颜色为淡黄色或白色，是一种片状物质。可通过使甲壳素发生脱乙酞基化反应制备壳聚糖，壳聚糖的分子链中由于脱乙酞基化不彻底，其大多情况下含有2-乙酞氨基葡萄糖和2-氨基葡萄糖两种结构单元。这两种物质的比例会因脱乙酞化程度不同而发生改变，因此把检测壳聚糖的脱乙酞度以及其平均分子量作为壳聚糖的性能检测方法^[7]。壳聚糖在水、丙酮和乙醇中都不会发生溶解，但其在浓度较低的酸性溶液里会发生溶解。

壳聚糖算是一种比较特殊的膳食纤维，其带着阳离子和正电荷，所以被称作是一种可改善人类健康的电粉。壳聚糖具有许多良好的特性，比如说抗菌性能好、具有保湿性、具有生物可降解能力、无毒无害和良好的螯合能力。由于壳聚糖的制备原材料可再生和来源广泛，其在许多领域都得到了应用，如饲料、医学用药、食品领域等。

壳聚糖的分子结构中具有许多的的氨基和羟基，而且在骨架链之间的氢键变成了二级结构。由于这种结构所具有的的特殊性和这种高分子化合物所具有的物理性能，壳聚糖能与许多离子或生物分子发生螯合和吸附。所以壳聚糖可用作一类新型的环保生物吸附剂，在净化环境方面发挥出其良好的吸附能力。

发明内容