離子交換功能纖維制備技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

代立波 吳志慧 王子健

(1. 福建工程學院 生態(tài)環(huán)境與城市建設學院，福建 福州 350118；2. 鄭州大學 化工學院，河南 鄭州 450001)

離子交換纖維是一種纖維型離子交換劑，其活性部位主要包括酸、堿和螯合化學官能團。與傳統(tǒng)的粒狀離子交換樹脂材料相比，纖維具有傳質(zhì)距離短、易與液體接觸、能快速完成離子交換等優(yōu)點。因此，離子交換纖維可用于有害物質(zhì)的深度凈化、微量元素的分離和有害氣體的凈化[1]。纖維可以紡成布狀、織物等形式進行使用，滿足各種應用場合需求[2]。

離子交換纖維的研究最早始于20世紀40年代，早期利用自然界的棉纖維為基體進行化學修飾，得到含有磷酸基的功能性纖維[1]。70年代后，離子交換纖維的研究和開發(fā)主要圍繞合成纖維作為基體的化學改性。在此階段日本、白俄羅斯的工業(yè)制備技術(shù)相對成熟，離子交換纖維在廢水處理、濕法冶金、氣體保護等領(lǐng)域取得了一定的成果[2,3]。在我國，離子交換纖維的發(fā)展從上世紀80年代開始逐步展開，主要包括鄭州大學、中山大學、北京服裝學院、北京理工大學等單位。基于不同的纖維基體，研制出一系列高性能的離子交換纖維。目前，用作離子交換纖維的主要有聚丙烯腈、聚丙烯、纖維素、聚乙烯醇等纖維。近年來，一些高強度工程纖維逐漸應用于離子交換纖維的開發(fā)，進一步擴大其制備范圍。本文根據(jù)纖維基體的類型，簡要介紹了離子交換纖維的制備工藝。

1 離子交換纖維制備進展

1.1 纖維素基纖維

纖維素是一種大分子多糖，廣泛存在于天然植物當中。纖維素纖維主要是以木材、甘蔗渣等天然植物為原料，經(jīng)溶解后紡成纖維。纖維素纖維是最早用于離子交換纖維開發(fā)的纖維基質(zhì)。Chen等人[4]采用棉纖維基質(zhì)與甲基咪唑類離子液體加熱反應，制得弱咪唑基功能纖維，纖維對六價鉻的吸附容量可達196.1 mg/g。夏友誼等[5]利用纖維素纖維在堿性條件下與環(huán)氧氯丙烷反應，得到環(huán)氧纖維素纖維。在此基礎上，進一步與環(huán)糊精反應制備了螯合纖維，纖維對Cu2+的最大吸附量為6.24 mg/g。Lin等[6]利用粘膠纖維經(jīng)化學引發(fā)接枝丙烯酰胺，在三乙烯四胺溶液中最終反應制得多胺功能纖維，對二氧化碳有良好的富集性能，吸附量為4.08 mmol/g。

1.2 聚乙烯醇基纖維

聚乙烯醇纖維是一種化學合成材料，在膠粘劑、棉紡、涂料以及相關(guān)行業(yè)中應用較多。由于纖維分子鏈中含有豐富的活性羥基官能團，可以通過化學改性或接枝共聚制備一系列離子交換纖維。另外，由于聚乙烯醇易溶于水溶液，纖維在功能化改性前需要經(jīng)過甲醛和苯甲醛的預交聯(lián)。富陽等[7]利用聚乙烯醇纖維經(jīng)預交聯(lián)化學預處理，機械性能有效提高。在此基礎上與濃硫酸反應，得到強酸性功能纖維。姚占海[8]等利用聚丙烯酸醇纖維經(jīng)60Coγ源預輻照，與丙烯腈水溶液反應。在此基礎上，富含腈基的接枝纖維與羥胺溶液反應制得含酰胺肟基的螯合纖維，該纖維對銅離子的吸附量可達71.1 mg/g。

1.3 聚丙烯腈基纖維

聚丙烯腈纖維是一種傳統(tǒng)的化學合成纖維，常用于家紡行業(yè)。其價格低廉，并具有良好的親水性能。聚丙烯腈纖維富含腈基官能團，該結(jié)構(gòu)可以與多種化學試劑發(fā)生反應。陳兆文等[9]在4wt%氫氧化鈉-乙醇混合溶液中浸泡聚丙烯腈纖維，通過水解反應得到富含羧基的功能纖維，在研究過程中發(fā)現(xiàn)部分腈基可以水解成酰胺基，最終形成多嵌段共聚物。原思國等[10]用工業(yè)腈綸與聚乙烯多胺在反應器中反應，制備了多種結(jié)構(gòu)相似的多胺離子交換纖維，纖維全交換容量最高為10.0 mmol/g，對二氧化硫氣體具有良好的富集性能。Sadeghi等人[11]在酸性條件下水解腈綸后，與氯化亞砜反應形成酰氯，然后在室溫下與亞氨基二乙酸反應制得亞氨基二乙酸螯合纖維，對Nd3+具有良好的吸附性能。

1.4 聚丙烯基纖維

聚丙烯纖維是一種工業(yè)中常用的合成纖維材料，其具有良好的耐酸堿性能。由于聚丙烯纖維本身不含活性官能團，因此需要通過化學或物理引發(fā)接枝含活性官能團的烯烴，然后進一步化學修飾得到功能纖維材料[2]。近年來，白俄羅斯科學家Soldatov等[3]以聚丙烯纖維為基體，60Coγ預輻射接枝苯乙烯-二乙烯基苯，分別用氯磺酸磺化和有機胺(三甲胺、乙二胺等)結(jié)構(gòu)修飾，制備了不同種類的FIBAN離子交換纖維，并取得良好的工業(yè)化應用效果。李明愉等[12]采用60Coγ輻照苯乙烯-二乙烯基苯接枝聚丙烯纖維，在氯甲醚氯甲基化和三乙烯四胺胺化后，胺基最終與亞磷酸反應制得胺基磷酸型螯合纖維，纖維對Cu2+的最大吸附量為77.6 mg/g。Ma等[13]用60Coγ引發(fā)丙烯酸接枝聚丙烯纖維，在AlCl3.6H2O的催化下與二乙烯三胺反應制得多胺離子交換纖維，該材料對Hg2+的最大吸附量為1 041.1 mg/g。Bondar等人[14]用電子束預輻照引發(fā)聚丙烯纖維接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯。接枝纖維在70 ℃與亞硫酸氫鈉進一步反應形成磺酸型離子交換纖維。

1.5 新型纖維材料

近年來，隨著紡織技術(shù)的快速發(fā)展，一些新型工程纖維開始用于離子交換功能纖維開發(fā)。聚四氟乙烯纖維是一種性能優(yōu)良的工程材料，常用于高溫、強腐蝕等特殊領(lǐng)域。韓曉燕等[15]在聚四氟乙烯纖維基質(zhì)上輻照接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯，然后與聚乙烯亞胺反應制得弱堿性離子交換纖維，其對膽紅素具有良好的吸附能力。聚苯硫醚(PPS)纖維是一種新型特種塑料纖維。分子主鏈由苯環(huán)和硫原子交替組成。聚苯硫醚纖維含有豐富的苯環(huán)單元，可以直接功能化得到各種離子交換纖維。周冬菊等[16]以聚苯硫醚纖維為基體，經(jīng)氯甲基化反應后，與N-甲基咪唑加熱制得含有咪唑基的弱堿性功能纖維。玻璃纖維是一種無機非金屬材料，主要由玻璃球經(jīng)高溫熔融紡絲而成。具有耐腐蝕性好、耐熱性強、機械強度高等優(yōu)點。李培元等[17]在玻璃纖維材料的表面噴涂聚乙烯亞胺，制得亞胺型功能纖維，該材料對蒸汽中的CO2氣體具有較好的凈化能力。CosKun等人[18]利用PET滌綸纖維為基體，經(jīng)Bz2O2化學接枝丙烯腈后與硫脲反應，得到一種熱力學穩(wěn)定性良好的含硫鰲合功能纖維。Hwang等人[19]采用聚酮纖維與氯磺酸反應制得強酸性離子交換纖維。纖維磺化率可達47%，酸性交換容量為3.36 mmol/g。

2 結(jié)語

離子交換纖維作為一種吸附性能優(yōu)良的功能纖維材料，近年來在廢水處理、空氣凈化等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。未來離子交換纖維的發(fā)展可以從以下幾個方面考慮：(1)隨著纖維制備技術(shù)的不斷發(fā)展，纖維基材料的種類不斷擴大。(2)開發(fā)高選擇性的官能團，對目標組分具有良好的選擇性吸附性能。(3)優(yōu)化制備工藝，降低生產(chǎn)成本。隨著科技水平的不斷進步和發(fā)展，相信離子交換纖維的制備及應用在未來將得到有效的擴展。