摘 要：為了提升裝配式建筑中碳纖維的氣體吸附效果，對裝配式建筑用碳纖維進(jìn)行了空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障碌幕罨幚?，考察了活化溫度對碳纖維形貌、結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響。結(jié)果表明，隨著活化溫度升高，碳纖維表面孔洞的數(shù)量有所增多，并在較高的活化溫度下形成了狹長微孔。與氮?dú)鈿夥障轮苽涞奶祭w維相比，空氣氣氛下制備的碳纖維都具有相對較高的氮?dú)馕搅?。在相同壓力下，空氣氣氛下活化處理的碳纖維的二氧化碳吸附量要高于氮?dú)鈿夥障碌亩趸嘉搅?，且相同壓力下二氧化碳吸附量從高至低順序?yàn)椋篜CF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。溫度為0、25 ℃和40 ℃時活化處理后碳纖維的二氧化碳/氮?dú)馕奖确謩e為10、20和30。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；碳纖維；活化溫度；氣氛條件；吸附性能

中圖分類號：TQ342 + .742； 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0108-04

Research on structural design and adsorption performance ofcarbon fiber composite materials in prefabricated buildings

ZHOU Jing

（Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering，F(xiàn)oshan 528216，Guangdong China）

Abstract：In order to improve the gas adsorption effect of carbon fiber in prefabricated buildings，the carbon fibersused in prefabricated buildings were activated under air atmosphere and nitrogen atmosphere，and the effects of acti?vation temperature on the morphology，structure and adsorption properties of carbon fibers were investigated. The re?sults showed that with the increase of activation temperature，the number of pores on the surface of carbon fiber in?creased，and narrow micropores were formed at higher activation temperature. Compared with the carbon fiber pre?pared in nitrogen atmosphere，the carbon fiber prepared in air atmosphere had a relatively high nitrogen adsorptioncapacity. Under the same pressure，the carbon dioxide adsorption capacity of the activated carbon fiber under theair atmosphere was higher than that under the nitrogen atmosphere，and the carbon dioxide adsorption capacity un?der the same pressure was in the order of PCF-500，PCF-450，PCF-400 and PCF-N. At temperatures of 0，25 °Cand 40 °C，the CO 2 /nitrogen adsorption ratios of the activated carbon fibers were 10，20 and 30，respectively.

Key words：prefabricated building；carbon fiber；activation temperature；atmosphere conditions；adsorption perfor?Mance

對于裝配式建筑中常見的碳纖維材料而言，其對有害氣體的吸附效果是重要的考核指標(biāo) [1] ，如果裝配式建筑用碳纖維能在使用過程中具有較好的二氧化碳、氮?dú)獾任叫Ч?[2-3] ，這不僅可以滿足物理化學(xué)性能等使用要求，還可以滿足設(shè)計(jì)過程中對吸附性能的使用要求 [4] 。目前，碳纖維吸附性能的研究主要集中在碳纖維的表面改性處理上，而通過對碳纖維進(jìn)行活化處理來提高裝配式建筑中碳纖維吸附性能的研究報道較少 [5-8] 。為了提升裝配式建筑中碳纖維的氣體吸附效果，對裝配式建筑用碳纖維進(jìn)行了空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障碌幕罨幚?，考察了活化溫度對碳纖維形貌、結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響，結(jié)果將有助于提升碳纖維在裝配式建筑中的應(yīng)用效果，并推廣其在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：聚丙烯腈基（PAN）碳纖維，拉伸強(qiáng)度4.64 GPa，拉伸模量145 GPa，斷裂伸長率2.1%，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所；高純氮?dú)猓?9.999 9%），寧波萬力氣體化工有限公司。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：DHG-3型干燥箱；CarboliteGeroRHF型箱式爐；ZKF080型真空加熱爐；FE-2050X型掃描電鏡；D8 ADVANCE 型 X 射線衍射儀；REN?ISHAW REFLEX 型 共 聚 焦 顯 微 拉 曼 光 譜 儀 ；Netzsch STA 449 F3熱分析儀。

1.2 碳纖維制備

（1）碳纖維的活化處理。預(yù)先對PAN纖維進(jìn)行干燥處理，將PAN纖維置于DHG-3型干燥箱中進(jìn)行110 ℃保溫60 min的熱處理，取出后在空氣中冷卻至室溫，然后在卡博萊特蓋羅CarboliteGeroRHF型箱式爐中進(jìn)行175 ℃保溫15 min+245 ℃保溫45min的熱處理（預(yù)氧化試樣），隨爐冷卻至室溫后繼續(xù)升溫至活化溫度（400 ℃、450 ℃、500 ℃）保溫30min，隨爐冷卻至室溫得到多孔碳纖維 [9] ，其中，活化溫度為400 ℃時制備的碳纖維記為PCF-400，依次類推；

（2）對比碳纖維。為了對比空氣中活化和氮?dú)鈿夥障禄罨牟町?，在ZKF080型真空加熱爐中將預(yù)氧化試樣進(jìn)行了氮?dú)鈿夥障碌幕罨幚?[10] ，氮?dú)饬髁繛? L/min，活化溫度為500 ℃，制備的對比碳纖維試樣記為PCF-N。

1.3 測試方法

采用鋼研納克FE-2050X型掃描電鏡對碳纖維形貌進(jìn)行觀察；采用BSD-PM2型孔徑分析儀測試吸附/解吸等溫曲線 [11] ；采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀和RENISHAW REFLEX型共聚焦顯微拉曼光譜儀分別進(jìn)行X射線衍射和拉曼光譜分析；采用Netzsch STA 449 F3熱分析儀測試碳纖維在二氧化碳和氮?dú)鈿夥障碌奈叫阅?[12] 。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌

圖1為不同溫度活化處理后裝配式建筑中碳纖維的顯微形貌，分別列出了空氣氣氛下活化溫度為400、450、500 ℃制備的碳纖維的形貌，以及氮?dú)鈿夥障禄罨瘻囟葹?00 ℃制備的碳纖維的形貌。

由圖1可知，在較低的活化溫度下（400 ℃），碳纖維表面形成了尺寸不等的孔洞；隨著活化溫度升高，碳纖維表面孔洞的數(shù)量有所增多，并在較高的活化溫度下形成了狹長微孔。對比而言，氮?dú)鈿夥障禄罨幚淼奶祭w維表面未見明顯孔洞，但是出現(xiàn)了粗糙的表面結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)樵诨罨幚磉^程中碳纖維會向內(nèi)部擴(kuò)展，形成了表面褶皺形態(tài) [13] 。

2.2 孔徑分布和結(jié)構(gòu)分析

不同溫度活化處理后裝配式建筑中碳纖維的吸附/解吸等溫曲線和孔徑分布如圖2所示。

由圖 2 可知，空氣氣氛下，活化溫度為 400、450 ℃時制備的碳纖維的氮?dú)馕搅恳陀诨罨瘻囟葹?500 ℃的碳纖維，且空氣氣氛下活化溫度為500 ℃的碳纖維在較低的壓力范圍下就出現(xiàn)了高的氮?dú)馕搅?。從圖2還可知，活化溫度為400、450 ℃時制備的碳纖維的孔徑分布較為相似，而空氣氣氛下活化溫度為500 ℃的碳纖維中出現(xiàn)了更多的微孔和少量介孔。不同制備工藝下形成的碳纖維會由于表面結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生不同的氣體吸附效果 [14] ，從而影響在環(huán)境景觀中的使用。

圖3為不同溫度活化處理后裝配式建筑中碳纖維的X射線衍射分析和光譜分析結(jié)果。

由圖3可知，4種工藝下制備的碳纖維的XRD圖譜都較為相似，但是隨著活化溫度的升高，碳纖維XRD圖譜中（002）晶面的衍射峰有朝著更高角度移動的趨勢，這主要是因?yàn)檩^高溫度下進(jìn)行活化處理會使得石墨晶面間距減??；此外，空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障禄罨幚碇苽涞奶祭w維的微晶單元數(shù)量不同，前者主要由4層石墨組成，而后者主要由5層石墨組成。從拉曼光譜圖中可見，4種工藝下制備的碳纖維的拉曼光譜圖較為相似，即都在1 340 cm -1 位置和1 579 cm -1 位置處出現(xiàn)了與碳缺陷有關(guān)的D峰和與碳原子拉伸有關(guān)的G峰 [15] 。在空氣氣氛下，活化溫度為400 ℃時 D 峰和 G 峰的強(qiáng)度比為 3.7，活化溫度為450 ℃時 D 峰和 G 峰的強(qiáng)度比為 3.6，活化溫度為500 ℃時D峰和G峰的強(qiáng)度比為3.4；在氮?dú)鈿夥障?，活化溫度?00 ℃時D峰和G峰的強(qiáng)度比為3.3?？梢?，空氣氣氛下制備的碳纖維的D峰和G峰的強(qiáng)度比（I D /I G ）要高于氮?dú)鈿夥障轮苽涞奶祭w維，這主要是因?yàn)榈獨(dú)鈿夥障轮苽涞奶祭w維表面的缺陷相對更少，而空氣氣氛下制備的碳纖維的石墨化程度更低 [16] 。

2.3 吸附性能

在室溫條件下，對活化處理后碳纖維進(jìn)行了二氧化碳吸附試驗(yàn)，吸附曲線如圖4所示。

由圖4可知，空氣氣氛下和氮?dú)鈿夥障禄罨幚淼奶祭w維隨著壓力增加而表現(xiàn)出來的二氧化碳吸附趨勢相同，即隨著壓力增加，室溫條件下二氧化碳吸附量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但是在相同壓力下，空氣氣氛下活化處理的碳纖維的二氧化碳吸附量要高于氮?dú)鈿夥障碌亩趸嘉搅?，且二氧化碳吸附量從高至低順序?yàn)椋篜CF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。這主要與活化處理后碳纖維表面結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，相應(yīng)的對二氧化碳的吸附效果更好 [17-19] 。

圖5為空氣氣氛下活化溫度為500 ℃時碳纖維在不同溫度下的氣體吸附曲線（二氧化碳為實(shí)心、氮?dú)鉃榭招模?/p>

由圖5可知，不同溫度下，活化處理后碳纖維的氣體吸附量會隨著壓力增加而增大，在相同壓力下，溫度越高氣體吸附量越少，二氧化碳和氮?dú)馕搅繌母咧恋晚樞蛞来螢椋篜CF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。此外，對比二氧化碳吸附量和氮?dú)馕搅侩S壓力的變化曲線可知，相同壓力和相同溫度下，活化處理后碳纖維在二氧化碳中的吸附量要明顯高于在氮?dú)庵械奈搅?，且在氮?dú)庵械臍夥瘴搅侩S著壓力增加的速度明顯更慢。如在壓力為1 bar時，溫度為0、25和40 ℃時活化處理后碳纖維的二氧化碳/氮?dú)馕奖确謩e為10、20和30，即二氧化碳吸附明顯高于氮?dú)馕?。由此可見，在空氣氣氛下活化處理后的碳纖維會相對具有更好的二氧化碳吸附效果 [20] ，更適宜于在裝配式建筑中應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）在較低的活化溫度下（400 ℃），碳纖維表面形成了尺寸不等的孔洞；隨著活化溫度升高，碳纖維表面孔洞的數(shù)量有所增多，并在較高的活化溫度下形成了狹長微孔；

（2）隨著壓力增加，室溫條件下二氧化碳的吸附量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在相同壓力下，空氣氣氛下活化處理的碳纖維的二氧化碳吸附量要高于氮?dú)鈿夥障碌亩趸嘉搅?，且二氧化碳吸附量從高至低順序?yàn)椋篜CF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N；

（3）在相同壓力下，溫度越高氣體吸附量越少，且二氧化碳和氮?dú)馕搅繌母咧恋晚樞驗(yàn)椋篜CF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。相同壓力和相同溫度下，活化處理后碳纖維在二氧化碳中的吸附量要明顯高于在氮?dú)庵械奈搅?，且在氮?dú)庵械臍夥瘴搅侩S著壓力增加的速度明顯更慢。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 馬悅程，崔升，浦騰飛，等. 低維碳材料改性研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2023，43（4）：71-75.

[2] 鄭華，陳泉源，盧鈞，等. 非金屬摻雜活性碳纖維電化學(xué)處理模擬印染廢水[J]. 化工環(huán)保，2022，42（4）：415-420.

[3] 耿金. 景觀用多孔碳纖維復(fù)合材料引入改性后的吸附性能實(shí)驗(yàn)分析[J]. 粘接，2023，50（1）：62-65.

[4] 郭金海，呂春祥，趙鑫，等. 碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)體研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝，2014，44（5）：7-12.

[5] 楊金輝，楊斌，黎傳書，等. 組合塑料碳素纖維生物膜技術(shù)處理景觀水體的研究[J]. 南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，33（3）：48-53.

[6] 張利鋒，李帥，宋一飛，等. N-摻雜碳纖維復(fù)合Sb 2 S 3 柔性電極材料的制備及其性能研究[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報，2023，41（6）：103-110.

[7] 李強(qiáng)，于景媛，穆柏春，等. 表面復(fù)合改性碳纖維增強(qiáng)HA復(fù)合材料[J]. 材料熱處理學(xué)報，2014，35（8）：7-11.

[8] 周娜，劉敏超，馬國強(qiáng)，等. 自支撐柔性氮磷共摻雜碳納米纖維薄膜材料的制備及其電化學(xué)儲能性能研究[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，37（3）：15-22.

[9] 梁進(jìn)宇. 基于環(huán)境噪聲的城市景觀復(fù)合材料的屏蔽性能研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（2）：55-57.

[10] 陳佳. 碳纖維樹脂基復(fù)合材料的制備及在裝配式建筑中的應(yīng)用[J]. 粘接，2022，49（5）：145-148.

[11] 肖彤，馬捷，王雁，等. 鐵改性摻氮碳纖維活化過一硫酸鹽 降 解 雙 酚 A[J]. 環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 報 ，2021，41（7）：2766-2773.

[12] 姚怡媛，王超海，晏鑫，等. 硼-氮共摻雜中空碳納米纖維的制備及其活化過一硫酸鹽降解雙酚A的性能研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2021，41（7）：2774-2784.

[13] 高雅茹，王燕，李瑤. 柔性氮摻雜活性多孔碳布的制備及其對CO 2 /CH 4 吸附分離和甲醇吸附研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，41（6）：45-53.

[14] 韓坤霖，王博濤. 乒乓球拍用碳纖維復(fù)合材料的制備與性能研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（3）：99-102.

[15] 張素風(fēng)，呼旭旭，周秋生，等. MnO 2 納米片功能化修飾的氮摻雜碳纖維電化學(xué)性能研究[J]. 中國造紙學(xué)報，2022，37（1）：36-42.

[16] 徐遠(yuǎn)釗，王升高，王傳新，等. 硫摻雜對鐵氮碳纖維氧還原催化性能的影響[J].合成纖維工業(yè)，2022，45（1）：38-42.

[17] 趙晶. 城市裝配式建筑中碳纖維復(fù)合材料的制備與性能研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（5）：79-81.

[18] 闞侃，王玨，付東，等. 氮摻雜碳纖維包覆石墨烯納米片的構(gòu)建及電容特性[J]. 材料工程，2022，50（2）：94-102.

[19] 鄭天麒. 碳纖維改性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備及性能研究[J]. 功能材料，2022，53（12）：12147-12151.

[20] 余琦，劉偉軍，田中訓(xùn)，等. 含氮官能團(tuán)種類對活性碳纖維吸附催化SO 2 的影響[J]. 原子與分子物理學(xué)報，2022，39（1）：49-55.

（責(zé)任編輯：蘇 幔）