专利名称：一种炭纤维的复合表面改性方法
技术领域：
本发明属于一种炭纤维(CF)的表面改性方法，具体涉及一种CF的双重表面处理 以提高CF的生物亲和性。
背景技术：
在污水处理领域，生物膜法污水处理技术作为高效污水处理工艺之一，已被广泛 应用于生活污水等有机污水处理中。该技术中生物膜挂膜载体的选择，直接影响着微生物 在载体材料上的固着与生物膜的形成，是生物膜法污水处理工艺能否高效、稳定运行的关 键因素之一。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。生物膜载体材料的制备与优化是生物膜法污水处理领域中的关键技术。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O生物 亲和性&活用新L· P水环境保全技术[J].材料科学，1998，6 (35) :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,SangJin Lee,Gilson Khang,et al. . The Effect of Fluid Shear Stress on Endothelial Cell Adhesiveness toPolymer 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 固着性能性能。本发明所采用的技术方案包括以下步骤一、将市售的或制备的CF进行硝酸液相 氧化；二、将氧化后的CF浸入氯化铁或氯化钙溶液中吸附金属阳离子。本发明第一步先通 过表面氧化处理工艺在CF表面引入亲水含氧官能团并氧化刻蚀CF表面来提高其亲水性和 表面粗糙度。由于氧化处理后含氧官能团的增加使CF表面呈现较强的负电性，所以第二步 需要在CF表面吸附金属阳离子，从而减弱表面负电性。CF的硝酸液相氧化步骤包括CF表面预处理和表面氧化两个步骤。CF表面预处理 按以下步骤进行(1)将CF去除CF表面上浆剂；(2)将去除上浆剂的CF用蒸馏水冲洗并 烘干。CF表面氧化按以下步骤进行(1)将预处理后的CF浸泡至浓度为34-68%硝酸，在50-120°C下氧化0. 5-5h ； (2)将氧化后的CF用蒸馏水反复冲洗直至清洗液pH值为7，并烘干。CF吸附阳离子按以下步骤进行(1)将硝酸液相氧化后的CF用浓度为0. I-Imol/ L的氯化铁或氯化钙溶液室温浸泡2-10h吸附金属离子；(2)将吸附了金属离子的CF用蒸 馏水清洗干净并烘干。本发明通过结合金属阳离子吸附的复合表面改性方法进一步提高液相氧化后CF 的微生物固着性能，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。
图1经不同表面改性的CF的激光共聚焦显微形貌图
具体实施例方式下述实施例中均采用激光共聚焦显微镜(LCM)表征CF表面形貌；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在室温下将高强型聚丙烯腈基炭纤维(PAN-CF，T300)浸泡于丙酮内去除表面环 氧树脂上浆剂，用蒸馏水冲洗后烘干；再将去除上浆剂的CF浸入浓硝酸恒温沸水浴加热 0. 5-2h后取出，用蒸馏水反复冲洗直至清洗液的pH值为7后烘干；最后将硝酸氧化后的CF 浸入浓度为0. 1-0. 3mol/L的CaC12溶液中浸泡5_6h，取出后用蒸馏水清洗干净并烘干。所得经表面改性后的CF测试结果如下表面含氧官能团总量为24. 13%，平衡含 水率为6. 07%，生物膜固着量为229.6%。其LCM照片如图1中a所示。实施例2在室温下将高强型聚丙烯腈基炭纤维(PAN-CF，T300)浸泡于丙酮内去除表面环 氧树脂上浆剂，用蒸馏水冲洗后烘干；再将去除上浆剂的CF浸入浓硝酸恒温沸水浴加热 l-3h后取出，用蒸馏水反复冲洗直至清洗液的pH值为7后烘干；最后将硝酸氧化后的CF浸 入浓度为0. 1-0. 3mol/L的FeC13溶液中浸泡4_5h，取出后用蒸馏水清洗干净并烘干。所得经表面改性后的CF测试结果如下表面含氧官能团总量为20. 85%，平衡含 水率为5. 18%，生物膜固着量为188.0%。其LCM照片如图1中b所示。对比例在室温下将高强型聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF，T300)浸泡于丙酮内去除表面环 氧树脂上浆剂，用蒸馏水冲洗后烘干。测试结果如下表面含氧官能团总量为16. 74%，平 衡含水率为1.20%，生物膜固着量为117. 1%。其LCM照片如图1中c所示。
权利要求
一种炭纤维(CF)的复合表面改性方法，其特征是CF复合表面改性包括两个步骤(1)将市售的或制备的CF进行硝酸液相氧化；(2)将氧化后的CF浸入氯化铁或氯化钙溶液中吸附金属阳离子。
2.根据权利要求1所述方法，其特征是CF硝酸液相氧化包括CF表面预处理和CF表面 氧化两个步骤。
3.根据权利要求2所述方法，其特征是CF表面预处理按以下步骤进行(1)去除CF表 面上浆剂；(2)将去除上浆剂的CF用冲洗并烘干。
4.根据权利要求2所述方法，其特征是CF表面氧化按以下步骤进行(1)将预处理后 的CF浸泡至浓度为34-68%硝酸，在50-120°C下氧化0. 5_5h ； (2)将氧化后的CF用蒸馏水 反复冲洗直至清洗液PH值为7，并烘干。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤二CF吸附阳离子按以下步骤进行(1) 将硝酸液相氧化后的CF用浓度为0. 1-lmol/L的氯化铁或氯化钙溶液室温浸泡2_10h吸附 金属离子；(2)将吸附了金属离子的CF用蒸馏水清洗干净并烘干。
全文摘要
一种炭纤维(CF)的复合表面改性方法，它涉及一种CF的双重表面处理方法。本发明包括两个步骤(1)、将CF进行硝酸液相氧化，从而提高CF表面的生物亲和性；(2)、将氧化后的CF浸入氯化铁或氯化钙溶液中吸附金属阳离子，从而提高微生物在CF表面的固着强度。本发明可有效提高微生物在CF表面的固着量和固着强度，有利于CF作为生物膜载体用于生物膜法污水处理或其它相关领域。
文档编号C02F3/00GK101982427SQ20101051801
公开日2011年3月2日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者包艳玲, 戴光泽, 李美霞, 牛正帅, 谢鹏, 赵君文, 闫春江, 雷兵, 韩靖, 黄兴民 申请人:四川城际轨道交通材料有限责任公司;戴光泽