裝配式建筑中碳纖維復材結構設計與吸附性能研究

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行了空氣氣氛和氮氣氣氛下的活化處理，考察了活化溫度對碳纖維形貌、結構和吸附性能的影響。結果表明，隨著活化溫度升高，碳纖維表面孔洞的數量有所增多，并在較高的活化溫度下形成了狹長微孔。與氮氣氣氛下制備的碳纖維相比，空氣氣氛下制備的碳纖維都具有相對較高的氮氣吸附量。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氣氣氛下的二氧化碳吸附量，且相同壓力下二氧化碳吸附量從高至低順序為：PCF-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/氮氣吸附比分別為10、20和30。

關鍵詞：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； 文獻標志碼：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，Foshan 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 [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、氮氣等吸附效果 [2-3] ，這不僅可以滿足物理化學性能等使用要求，還可以滿足設計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行了空氣氣氛和氮氣氣氛下的活化處理，考察了活化溫度對碳纖維形貌、結構和吸附性能的影響，結果將有助于提升碳纖維在裝配式建筑中的應用效果，并推廣其在碳纖維復合材料中的應用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

實驗材料：聚丙烯腈基（PAN）碳纖維，拉伸強度4.64 GPa，拉伸模量145 GPa，斷裂伸長率2.1%，中國科學院寧波材料技術與工程研究所；高純氮氣（99.999 9%），寧波萬力氣體化工有限公司。

實驗設備：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。預先對PAN纖維進行干燥處理，將PAN纖維置于DHG-3型干燥箱中進行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型箱式爐中進行175 ℃保溫15 min+245 ℃保溫45min的熱處理（預氧化試樣），隨爐冷卻至室溫后繼續升溫至活化溫度（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氣氣氛下活化的差異，在ZKF080型真空加熱爐中將預氧化試樣進行了氮氣氣氛下的活化處理 [10] ，氮氣流量為2 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氣氣氛下的吸附性能 [12] 。

2 結果與討論

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，以及氮氣氣氛下活化溫度為500 ℃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，氮氣氣氛下活化處理的碳纖維表面未見明顯孔洞，但是出現了粗糙的表面結構，這主要是因為在活化處理過程中碳纖維會向內部擴展，形成了表面褶皺形態 [13] 。

2.2 孔徑分布和結構分析

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氣吸附量要低于活化溫度為 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了高的氮氣吸附量。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構的不同而產生不同的氣體吸附效果 [14] ，從而影響在環境景觀中的使用。

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，這主要是因為較高溫度下進行活化處理會使得石墨晶面間距減小；此外，空氣氣氛和氮氣氣氛下活化處理制備的碳纖維的微晶單元數量不同，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 位置處出現了與碳缺陷有關的D峰和與碳原子拉伸有關的G峰 [15] 。在空氣氣氛下，活化溫度為400 ℃時 D 峰和 G 峰的強度比為 3.7，活化溫度為450 ℃時 D 峰和 G 峰的強度比為 3.6，活化溫度為500 ℃時D峰和G峰的強度比為3.4；在氮氣氣氛下，活化溫度為500 ℃時D峰和G峰的強度比為3.3。可見，空氣氣氛下制備的碳纖維的D峰和G峰的強度比（I D /I G ）要高于氮氣氣氛下制備的碳纖維，這主要是因為氮氣氣氛下制備的碳纖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行了二氧化碳吸附試驗，吸附曲線如圖4所示。

由圖4可知，空氣氣氛下和氮氣氣氛下活化處理的碳纖維隨著壓力增加而表現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氣氣氛下的二氧化碳吸附量，且二氧化碳吸附量從高至低順序為：PCF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。這主要與活化處理后碳纖維表面結構不同有關，相應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（二氧化碳為實心、氮氣為空心）。

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，二氧化碳和氮氣吸附量從高至低順序依次為：PCF-500、PCF-450、PCF-400、PCF-N。此外，對比二氧化碳吸附量和氮氣吸附量隨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氣中的吸附量，且在氮氣中的氣氛吸附量隨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/氮氣吸附比分別為10、20和30，即二氧化碳吸附明顯高于氮氣吸附。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用。

3 結語

（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氣氣氛下的二氧化碳吸附量，且二氧化碳吸附量從高至低順序為：PCF-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，且二氧化碳和氮氣吸附量從高至低順序為：PCF-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氣中的吸附量，且在氮氣中的氣氛吸附量隨著壓力增加的速度明顯更慢。

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（責任編輯：蘇 幔）