竹炭纖維—新世紀的理想化工材料

摘要:通過對竹炭纖維具有的特殊結構的了解，從多種角度介紹了竹炭纖維的特殊功能，并探討了竹炭纖維發(fā)展的新趨勢和方向。

關鍵詞:竹炭;竹炭纖維;吸附

文章編號:1005-6629(2010)10-0046-03 中圖分類號:TA651 文獻標識碼:E

竹炭是近幾年剛剛興起并迅速掀起開發(fā)熱潮的產品，充分利用竹炭特性開發(fā)功能性竹炭纖維紡織用品對于提高我國紡織品在世界的競爭力具有深遠的社會意義。同時，竹炭是竹材資源利用的一個新突破，竹炭纖維具有“黑鉆石”的美譽，被稱為“21世紀的環(huán)保新衛(wèi)士”。從日常所接觸的知識，我們非常清楚，竹炭纖維制品已被廣泛應用于醫(yī)療防護服飾、嬰幼兒及孕婦防護服、襪子、毛巾、高檔內外衣面料、床上用品、窗簾、地毯、賓館及家庭裝飾織物、車及船的內飾織物、空調過濾器、美容面膜等。

1竹炭的發(fā)現與發(fā)展

竹炭的生產起始于20世紀90年代中期，它是竹材及其加工剩余物經高溫熱解的產物，在國外進行竹炭研究的主要是日本、韓國、印度尼西亞等國家。竹炭改性滌綸最早是日本研制開發(fā)出來的。2005年，日本自然科學雜志報道稱，日本生產出500噸的竹炭纖維，它的加工方法是第一步竹炭加工，然后簡單地將竹纖維拉長并與化纖、棉線等交織在一起[1]。

我國自1995年開始燒制竹炭，1997年初浙江省文照竹炭有限公司率先開發(fā)出了適合國際市場需求的作為紡織產品填充物的系列竹炭產品，而河南省新鄉(xiāng)白鷺化纖集團是國內最早見報道生產竹炭纖維的企業(yè)，2003年該企業(yè)成功開發(fā)出了竹炭粘膠纖維[2]。同年，華東理工大學聯(lián)合上海華力索菲科技有限公司研發(fā)出一種將純天然的超細竹炭添加劑涂在滌綸、粘膠等纖維表面上的新技術，這種天然植物添加劑移植到化纖中是一個新亮點，也是納米技術與紡織結合的產物。將竹炭用于紡織是一項新技術，竹炭及其纖維產品的生產迅速遍及我國多個省和地區(qū)。

2004年以來，中國臺灣地區(qū)也陸續(xù)報道有新型竹炭纖維問世。2005年，北京百泉化纖廠開發(fā)的竹炭磁性纖維，可以使人們在人造空氣負離子的小環(huán)境中，進行“無痛磁性理療”，達到全天候保健的目的，是竹炭纖維工業(yè)的特大突破。而2006年，浙江上虞弘強彩色滌綸有限公司成功開發(fā)出多功能環(huán)保型竹炭改性滌綸[3]，竹炭纖維工業(yè)正在迅猛發(fā)展之中。

2竹炭的組成與結構

2.1竹炭的化學組成

竹炭來自于天然的竹子。工業(yè)上主要選擇南方生長5年以上的毛竹為原料，經高溫干燥碳化工藝處理后得到竹炭。竹炭纖維的分子結構呈六角形，質地堅硬，細密多孔，竹炭的比表面為700 m2/g，相當于一個籃球場的面積，是普通木炭的2—3倍。同時，竹炭還含有豐富的礦物質，是普通木炭的5倍。

竹材炭化后得到的竹炭， 化學成分主要是纖維素、 半纖維素和木質素， 分子式可表示為(C6H10O5)n，三者同屬高聚糖，總量占纖維干質量的90%以上，其次是蛋白質、脂肪、果膠、單寧、色素和灰份等，大多數存在于細胞內腔內，直接或間接地參與其生理作用。竹材燃燒后的無機成分都留在灰份中，含量相對較多的有K+、Mg2+、Na+、Ca2+等無機離子，其含碳量為52.06~85.42 %，含H、O的比例隨燃燒的溫度不同而各有差異。纖維素是竹炭纖維中最主要的成分，由于生長地域不同，纖維素的含量也不同，一般為40~53 %不等，明顯低于棉和麻纖維。半纖維素是由多種糖單元組成的復合聚糖的總稱，它是無定形物質，半纖維素的聚合度低，吸濕易潤漲，是纖維之間和微細纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”。

木質素是由苯基丙烷結構單元通過醚鍵和碳—碳鍵聯(lián)結而成的芳香族高分子化合物，存在于胞間層和微細纖維之間。纖維素大分子的基本鏈節(jié)是β—葡萄糖剩基，相鄰的葡萄糖剩基轉過180°，彼此以1，4甙鍵相結合形成大分子。每個葡萄糖剩基上有三個羥基， 由于羥基的存在，決定了纖維素纖維比較耐堿而不耐酸， 而且具有一定的吸濕能力[4]。

2.2竹炭的內部結構

竹炭的內部結構比較復雜，肉眼無法觀察到，若通過用顯微鏡觀察(見圖3和圖4所示)，無論是橫向還是縱向截面，都體現出每一根竹炭纖維呈現出內外貫穿的蜂窩狀微孔結構，這為竹炭纖維的超強吸附能力提供了良好的基礎。在工業(yè)上，竹炭只是一個炭化后的竹子，通常需要提煉，才能得到可以拓展運用的材料——竹炭纖維。

3 竹炭纖維的性能

3.1竹炭纖維的優(yōu)良性能

竹炭表面及內部特殊的超細微孔結構使其具有很強的吸附能力，竹炭吸附能力是木炭的5倍以上，除對人體異味、油煙味和粉塵具有吸收、分解異味和消臭的作用外，還有很多優(yōu)良的性能[5]。

(1) 超強的抗霉防霉性能;

(2) 能發(fā)射一定波長的遠紅外線，具有蓄熱保暖的功能;

(3)自動吸濕和放水，迅速調整合適的濕度;

(4)防靜電和電磁輻射性能;

(5)吸附染色劑穩(wěn)定，不易褪色。

竹炭纖維還能使服裝外觀華貴、手感柔軟豐滿、光澤柔和耐磨性能優(yōu)良，是貼身紡織品的首選面料。

3.2竹炭纖維具有處理污水性能

竹炭纖維獨特的結構可以用來處理生活污水和工業(yè)污水。大量研究表明，竹炭不僅對污水中的Cu、Hg、Mn、Ba等大多數有毒重金屬離子具有良好的吸附固定作用，還可以使用竹炭纖維做沉淀劑的載體，吸收污水中大量的含砷、磷、氮鹽類物質，同時竹炭纖維對水中有機物也具有一定的吸附作用。通過大量實驗[6]表明:

(1)向富營養(yǎng)化湖水投加富含竹炭纖維的優(yōu)勢菌，能使水體濁度值明顯降低，極短的時間內便可使水體變清，從而達到恢復水體美觀功能的作用。

(2)在水體凈化實驗中，添加優(yōu)勢菌濃度達100 mg·L-1時，竹炭纖維對Mn2+、NH3-N的吸附非常明顯，其水體濁度在第15天后降低到原來的50%。

(3)投加竹炭纖維能夠使水中的溶解氧(DO)濃度明顯提高，而DO的提高有利于水生生物的生長，促使生態(tài)系統(tǒng)恢復到正常的狀態(tài)。

2009 年浙江省的張永祥發(fā)明了一種竹炭凈水器[7]， 其主要包括過濾容器和濾芯，濾芯一端安裝在過濾容器內，另一端與過濾容器連接，其特征在于濾芯包括硅藻土—麥飯石陶瓷層、竹炭濾層，硅藻土—麥飯石陶瓷濾層包括殼體和空心槽，竹炭濾層安裝在空心槽內，利用竹炭來凈水，獲得了國家專利。

3.3竹炭纖維具有凈化有害氣體性能

現代化的居住環(huán)境中少不了居室內各種建筑裝飾材料，如人造板、木質復合地板、層壓木質板家具和膠粘劑等會發(fā)出甲醛、鹵代烴、芳香烴等有毒污染物，危害人體健康。隨著大氣污染的加劇和室內裝璜、空調器使用的普及，室內空氣的污染已不可忽視。對室內空氣凈化的方法主要有吸附法、催化法、負離子發(fā)、臭氧氧化法、非平衡等離子法等，而選擇竹炭纖維作為最理想的吸附材料是關鍵。實驗表明竹炭是化學吸附和物理吸附同時進行的，比一般的活性炭性能要好很多。

表1中的實驗數據顯示出竹炭纖維對室內有害氣體的吸收具有一定的選擇性，其吸附率是由公式A=[(W1-W0)/W0]×100 %計算得到， W1和W0分別指竹炭纖維吸附后與吸附前的質量。氨氣是堿性氣體，所以竹炭纖維對氨氣吸收快且吸附率高。穩(wěn)定時間是指竹炭纖維吸附氣體后保持穩(wěn)定的時間，無論哪種氣體，竹炭纖維吸附后穩(wěn)定的時間都較長，證明它是一種良好的氣體凈化吸附劑。

4竹炭纖維的工業(yè)發(fā)展

竹炭材料主要用于紡織工業(yè)，在全國已得到廣泛的推廣，主要包括[8]:

(1)紡絲過程中加入竹炭粉末制成竹炭纖維。主要指粘膠紡絲過程中加入納米級竹炭粉乳漿，或滌綸、丙綸切片中加入制作好的竹炭母粒進行復合紡絲。該類紡織品在煉染加工中要避免接觸較強的酸堿性，以防影響竹炭的功效。

(2)在滌綸、丙綸、晴綸、粘膠等纖維表面涂上超細竹炭添加劑。這是天然植物添加劑移植到化纖中的一項新技術，也是超細納米技術和紡織工程相結合的產物。

(3)將竹炭粉末分散到水溶性、熱塑性樹脂中，再將組合后的樹脂涂抹于機織物、針織物等基布之上。對于涂布量需求較小的被覆膜可以采用點狀被覆，而對于涂布量需求較多的被覆膜可以采用全面被覆方式處理[9]。

隨著竹炭改性滌綸纖維產品性能和加工技術的進一步完善，它必將具有更加廣闊的前景和深遠的意義。

參考文獻:

[1]竹林.日本的竹炭纖維問世[J]，世界竹藤通訊，2005，3(1):45~47.

[2]李旭明.竹炭纖維的開發(fā)與應用[J].針織工業(yè)，2007，35(10):21~22.

[3]王敏.竹炭生產的現狀及應用[J].現代農業(yè)科技，2009，22(3):227~229.

[4]王先鋒.竹炭改性滌綸纖維針織物性能研究[D].青島大學，2008，6.

[5]王先鋒，潘福奎，羅佳麗等.竹炭纖維的性能與應用[J].山東紡織科技，2006，15(6):54~56.

[6]周建斌.竹炭環(huán)境效應及作用機理的研究[D].南京林業(yè)大學，2005，6.

[7]朱江濤，黃正宏.竹炭的性能和應用研究進展[J].材料導報，2004，20(4):41~46.

[8]于海通.竹炭滌綸纖維織物的性能研究與開發(fā)[D].蘇州大學，2009，5.

[9]劉煥榮，江澤慧，任海青等.竹炭吸附性能及其利用研究進展[J]，竹子研究匯刊，2009，12(5):1~5.