陳劍峰
(拱北海關(guān)技術(shù)中心,廣東 珠海 519000)
活性纖維材料具有很多優(yōu)異的性能,而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),其也是目前國(guó)內(nèi)外材料方向的研究熱點(diǎn)。國(guó)際上活性碳纖維的主要運(yùn)用領(lǐng)域包括口罩、空氣及污染廢氣的清潔和凈化、醫(yī)療防護(hù)與電子器件以及醫(yī)用敷料的原材料、催化等。與多孔炭形狀的傳統(tǒng)活性碳材料相比,由碳纖維技術(shù)結(jié)合活性碳技術(shù)而衍生出的活性碳纖維是碳纖維技術(shù)是細(xì)小顆粒狀,甚至為粉末狀。由于高性能碳纖維材料與活性碳材料快速發(fā)展,第3代新型高效吸附材料也隨之到來(lái)?;钚蕴祭w維的優(yōu)點(diǎn)是吸附效率高于活性碳顆粒,且其小孔分布均勻,透氣性好。它可以制造所有的產(chǎn)品,釋放和清除氣味?;钚蕴祭w維吸附空氣時(shí),吸附機(jī)理相對(duì)復(fù)雜,物理吸附和化學(xué)吸附不僅受堆積和浸漬的化學(xué)處理影響,而且還會(huì)受表面物理化學(xué)性質(zhì)的影響。為此,我們對(duì)上述性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究,并對(duì)活性碳纖維的吸苯量、四氯化碳、灰分、產(chǎn)品強(qiáng)度和折疊性能進(jìn)行了分析。
根據(jù)X射線衍射分析,將活性碳纖維研磨成粉末,用X射線衍射儀以一定的速度掃描,比對(duì)和孔徑分布測(cè)量表,采用北京分析儀器廠的ST-03表進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)照;數(shù)據(jù)由IBM-PC通過(guò)累加和孔徑測(cè)量?jī)x計(jì)算得出。紅外光譜第1步是將活性碳纖維磨成粉末,根據(jù)KBR Perking-Eliner 9836紅外光譜儀掃描透射紅外分析3次,每次掃描6 min。
將空氣溫度從40 ℃ 加熱到80 ℃ ,記錄空氣中直接加熱前后的質(zhì)量變化率。首先用AR清洗X射線電子光譜5 min,然后掃描Perk-Inger的X射線光譜。金屬離子含量分析是將樣品在高溫爐中溶于鹽酸,然后用上海分析儀器廠生產(chǎn)的310型原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行分析,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定含量?;瘜W(xué)元素氮(N)、氫(H)和碳(C)是用Perking-Eliner元素分析儀測(cè)得的,計(jì)算金屬離子含量的方式就是將總量100%減去N、H和C百分比含量所得。其中,吸苯量(BAW)的測(cè)量是取一定量的活性碳纖維放入U(xiǎn)型吸附管中。苯流體形成一定量的氣流,然后用U型吸附裝置測(cè)量活性纖維的質(zhì)量增加,各碳的苯吸附量的增加表示光纖。活性碳纖維類(lèi)似于顆?;钚蕴?,是一種非常無(wú)序的碳層結(jié)構(gòu),稱(chēng)為無(wú)定形碳或微晶碳。
與傳統(tǒng)的顆?;钚蕴妓叵啾龋钚蕴祭w維素具有相似的基本結(jié)構(gòu)和高度無(wú)序的碳層結(jié)構(gòu),屬于無(wú)定形碳或單晶碳。圖1是不同于碳纖維的活性碳纖維的X射線衍射曲線(活化度分別為和)。
圖1 X射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction pattern
從圖1中可知,活性碳纖維隨溫度變化而活性化;但間隔幾乎不變,其原因主要是由于活性氣體對(duì)晶體碳的蝕刻,使溫度升高,活性氣體和碳的反應(yīng)性相應(yīng)增加,蝕刻加重,就會(huì)造成晶粒變小。
表1為活性碳纖維潔凈參數(shù),其中ACF、ACF分別表示在低溫和較高溫環(huán)境下活化的活性碳纖維。
表1 活性碳纖維潔凈參數(shù)Tab.1 Activated carbon fiber cleaning parameters
由于活性碳纖維具有密集的孔洞,因此其吸附表面積有所增加。活性碳中的大孔只是為吸附材料到達(dá)內(nèi)部小孔提供的通道。計(jì)算活性碳的比表面積使用碳吸附法(BET);另外,還需要計(jì)算出活性碳孔徑分布曲線,結(jié)果如圖2所示。
圖2 活性碳纖維孔徑分布曲線Fig.2 Pore size distribution curve of activated carbon fiber
由圖2可知,活性碳纖維ACF和ACF采用的處理方式不同,從中可以推出只有在孔徑較為狹窄的時(shí)候,獲得的吸附性才是最大的,也即最為理想的吸附效果。
在活性碳纖維表面,氧化活化后的大分子碳形成結(jié)晶角,形成氧基,如羧基、碳基和醚基。通過(guò)化學(xué)滴定,活性碳纖維表面的官能團(tuán)含量如表2所示。
表2 活性碳表面官能團(tuán)含量Tab. 2 Content of functional groups on activated carbon surface mg/g
活性碳纖維具有良好的吸附性能,主要原因在于其孔隙結(jié)構(gòu);另外,其化學(xué)組成也會(huì)產(chǎn)生很大的影響,也就是官能團(tuán)對(duì)活性碳纖維吸附性具有較大影響。一般堿性基團(tuán)是在低溫和碳表面氧的反應(yīng)條件下產(chǎn)生的,溫度達(dá)到-40 ℃時(shí)也可以產(chǎn)生。因此,活性氣體的抗氧化強(qiáng)度對(duì)活性碳纖維的堿性基團(tuán)沒(méi)有顯著影響,但對(duì)酸性基團(tuán)的含量有很大影響。
圖3為活性碳纖維的紅外光譜圖。
圖3 活性碳纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of activated carbon fiber
從圖3可以看出,吸收峰出現(xiàn)在波數(shù)為1 100、3 400 cm處,可以說(shuō)明酚羥基基團(tuán)存在于纖維表面;連續(xù)小峰出現(xiàn)在波數(shù)為2 500~2 700 cm內(nèi),可以說(shuō)明羧基基團(tuán)存在于該表面。通過(guò)上面的化學(xué)分析可知,活性碳纖維具有優(yōu)良性能,85%的微孔集中在直徑1~2 nm,不僅碳含量好,且其表面含氧基團(tuán)較多,所以具有較好的熱氧穩(wěn)定性。另外,材料還具有很好的折疊性等,正因?yàn)檫@些優(yōu)良特性,使得活性碳纖維能夠在吸附領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,尤其在新冠疫情環(huán)境下,將活性碳纖維應(yīng)用到口罩中能夠起到較大作用。
當(dāng)下有一種新的活性碳纖維的制造方法——?dú)庖弘p效,其原理是用氫氧化鉀浸泡再結(jié)合熱空氣氧化的方法進(jìn)行活性碳纖維的制備。這種方法能得到的性能更好的活性碳纖維材料,此種方法還具有很大的市場(chǎng)前景。
活性碳纖維(ACF)保護(hù)口罩由ACF內(nèi)心、無(wú)紡布內(nèi)蓋、白色純棉蓋和鼻鉤組成。表3是某醫(yī)院收集的口罩并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果,其主要是從ACF和普通的口罩的層數(shù)、過(guò)濾的效果、透析效果和吸附效果這幾個(gè)方面進(jìn)行了比較,得出ACF口罩的性能和適用范圍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般紗布口罩。
由表3可知,使用ACF作為過(guò)濾器的保護(hù)口罩的性能與普通紗布口罩無(wú)法相比。
表3 ACF防護(hù)口罩與普通紗布口罩的性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison between ACF protective mask and ordinary gauze mask
活性碳纖維防護(hù)口罩的結(jié)構(gòu)如圖4所示,其由非織造布內(nèi)罩、純棉外罩和鼻夾組成,其性能與適用領(lǐng)域都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通口罩。
圖4 活性碳纖維防護(hù)口罩的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of activated carbon fiber protective mask
其原理是利用氣體活化法,如蒸汽產(chǎn)生碳化碳與氣體發(fā)生高度反應(yīng),而部分木炭蒸發(fā)產(chǎn)生大量的CO。同時(shí),碳化過(guò)程中形成的孔被打開(kāi),這些孔直接暴露在纖維表面,形成富納瓦孔。這些空間的大小與超細(xì)顆粒相同,大大增加了活性碳纖維的比表面積,并提供了吸附劑的功能。活性碳纖維的主要功能是具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和活化過(guò)程,增加表面積,滿足特定物質(zhì)的高吸附能力。此外,ACF還具有SO、NO、HS等無(wú)機(jī)污染物和甲烷、乙烯、異戊酯、乙烷醇、甲苯和二甲苯等吸附消除能力,所以根據(jù)口罩的濾芯和結(jié)構(gòu)來(lái)看,核心是ACF,這是繼粉末活性碳(AC)和顆粒活性碳(GAC)之后發(fā)展起來(lái)的第3代新型碳材料,制作工藝如圖5如示。
圖5 ACF制作工藝流程圖Fig.5 ACF manufacturing process flow chart
從表4可以看出,ACF富含小孔,小孔和纖維表面開(kāi)口處的小孔(90%),吸附材料可以直接進(jìn)入微孔,使吸附材料的吸附位置的擴(kuò)散途徑比GAC短得多,口徑分布精礦和活性碳纖維能顯示良好的吸附特性,兩者相差2~3個(gè)單位。
表4 ACF與GAC的主要性能對(duì)比Tab.4 Main performance comparison between ACF and GAC
吸附劑的孔徑分為微孔(小于10 nm)、小孔(10~100 nm)和大孔(0.5~5.0 μm)。ACF沒(méi)有明顯的孔隙和大孔,但有許多孔徑分布的2 nm微孔,具有分子本身的性質(zhì),導(dǎo)致比表面積大,吸附容量更大。特別是大腸桿菌達(dá)94%~99%,分解速度較快,容易被分解。小孔暴露在表面時(shí),可拆卸物質(zhì)的可拆卸距離大大縮短。解吸速度快,ACF可以在較松散的狀態(tài)下被吸收再生。ACF保護(hù)罩上的濾網(wǎng)放在沸騰蒸汽抽屜蓋上2~3圈,取下后可以繼續(xù)使用;但反復(fù)使用次數(shù)不能超過(guò)3次,因?yàn)槭褂么螖?shù)過(guò)多后ACF吸附效率和性能都會(huì)下降。
活性碳纖維的主要原料為粘膠基纖維,然后經(jīng)過(guò)高溫碳化和活化,最終形成物理性能和化學(xué)性能優(yōu)異的新型吸附材料;該纖維材料表面有密集的微孔,另外能夠經(jīng)過(guò)2次加工,生產(chǎn)出不同形態(tài)的材料,使其能夠在諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。比如活性碳纖維具有吸附量大、吸附速度快、耐熱性好、耐酸耐堿、成型性好等優(yōu)勢(shì),能夠在有機(jī)溶劑的回收、空氣凈化、污水處理等方面發(fā)揮作用。在當(dāng)前疫情的環(huán)境下,將其應(yīng)用到口罩中,防止病毒及其他有害物質(zhì)。由此可知,將活性碳纖維應(yīng)用到口罩中能有效防止有害氣體或粒徑為5 μm的顆粒滲入人體。另外這款活性碳纖維防護(hù)口罩不僅有防塵、防毒、防臭、防菌等作用,而且質(zhì)量輕,攜帶、佩戴方便,價(jià)格便宜。隨著活性碳纖維制備技術(shù)的逐漸發(fā)展,活性碳纖維材料將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)行業(yè)。同時(shí)也相信活性碳纖維制備技術(shù)會(huì)更加先進(jìn)和高效,活性碳纖維防護(hù)口罩也將成為市場(chǎng)的主流口罩。