活性碳纖維物理化學特性及在口罩中應用

陳劍峰

(拱北海關技術中心，廣東 珠海 519000)

活性纖維材料具有很多優異的性能，而被廣泛應用于各個行業，其也是目前國內外材料方向的研究熱點。國際上活性碳纖維的主要運用領域包括口罩、空氣及污染廢氣的清潔和凈化、醫療防護與電子器件以及醫用敷料的原材料、催化等。與多孔炭形狀的傳統活性碳材料相比，由碳纖維技術結合活性碳技術而衍生出的活性碳纖維是碳纖維技術是細小顆粒狀，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展，第3代新型高效吸附材料也隨之到來?；钚蕴祭w維的優點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品，釋放和清除氣味?；钚蕴祭w維吸附空氣時，吸附機理相對復雜，物理吸附和化學吸附不僅受堆積和浸漬的化學處理影響，而且還會受表面物理化學性質的影響。為此，我們對上述性能進行了詳細的研究，并對活性碳纖維的吸苯量、四氯化碳、灰分、產品強度和折疊性能進行了分析。

1 活性碳纖維的物理化學特性

1.1活性碳纖維的物理實驗及其表面分析

根據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，比對和孔徑分布測量表，采用北京分析儀器廠的ST-03表進行數據對照；數據由IBM-PC通過累加和孔徑測量儀計算得出。紅外光譜第1步是將活性碳纖維磨成粉末，根據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的310型原子吸收分光光度計進行分析，根據標準曲線測定含量。化學元素氮(N)、氫(H)和碳(C)是用Perking-Eliner元素分析儀測得的，計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)的測量是取一定量的活性碳纖維放入U型吸附管中。苯流體形成一定量的氣流，然后用U型吸附裝置測量活性纖維的質量增加，各碳的苯吸附量的增加表示光纖?；钚蕴祭w維類似于顆?；钚蕴?，是一種非常無序的碳層結構，稱為無定形碳或微晶碳。

與傳統的顆粒活性碳素相比，活性碳纖維素具有相似的基本結構和高度無序的碳層結構，屬于無定形碳或單晶碳。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晶體碳的蝕刻，使溫度升高，活性氣體和碳的反應性相應增加，蝕刻加重，就會造成晶粒變小。

表1為活性碳纖維潔凈參數，其中ACF、ACF分別表示在低溫和較高溫環境下活化的活性碳纖維。

表1 活性碳纖維潔凈參數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內部小孔提供的通道。計算活性碳的比表面積使用碳吸附法(BET)；另外，還需要計算出活性碳孔徑分布曲線，結果如圖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候，獲得的吸附性才是最大的，也即最為理想的吸附效果。

1.2 活性碳纖維的化學特性

在活性碳纖維表面，氧化活化后的大分子碳形成結晶角，形成氧基，如羧基、碳基和醚基。通過化學滴定，活性碳纖維表面的官能團含量如表2所示。

表2 活性碳表面官能團含量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構；另外，其化學組成也會產生很大的影響，也就是官能團對活性碳纖維吸附性具有較大影響。一般堿性基團是在低溫和碳表面氧的反應條件下產生的，溫度達到-40 ℃時也可以產生。因此，活性氣體的抗氧化強度對活性碳纖維的堿性基團沒有顯著影響，但對酸性基團的含量有很大影響。

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，吸收峰出現在波數為1 100、3 400 cm處，可以說明酚羥基基團存在于纖維表面；連續小峰出現在波數為2 500～2 700 cm內，可以說明羧基基團存在于該表面。通過上面的化學分析可知，活性碳纖維具有優良性能，85%的微孔集中在直徑1～2 nm，不僅碳含量好，且其表面含氧基團較多，所以具有較好的熱氧穩定性。另外，材料還具有很好的折疊性等，正因為這些優良特性，使得活性碳纖維能夠在吸附領域發揮重要作用，尤其在新冠疫情環境下，將活性碳纖維應用到口罩中能夠起到較大作用。

1.3 活性碳纖維制備

當下有一種新的活性碳纖維的制造方法——氣液雙效，其原理是用氫氧化鉀浸泡再結合熱空氣氧化的方法進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前景。

2 活性碳纖維在口罩中的應用

活性碳纖維(ACF)保護口罩由ACF內心、無紡布內蓋、白色純棉蓋和鼻鉤組成。表3是某醫院收集的口罩并對其進行統計分析的結果，其主要是從ACF和普通的口罩的層數、過濾的效果、透析效果和吸附效果這幾個方面進行了比較，得出ACF口罩的性能和適用范圍都遠遠超過了一般紗布口罩。

由表3可知，使用ACF作為過濾器的保護口罩的性能與普通紗布口罩無法相比。

表3 ACF防護口罩與普通紗布口罩的性能對比Tab.3 Performance comparison between ACF protective mask and ordinary gauze mask

活性碳纖維防護口罩的結構如圖4所示，其由非織造布內罩、純棉外罩和鼻夾組成，其性能與適用領域都遠遠超過普通口罩。

圖4 活性碳纖維防護口罩的結構Fig.4 Structure of activated carbon fiber protective mask

2.1 口罩濾芯ACF制作工藝

其原理是利用氣體活化法，如蒸汽產生碳化碳與氣體發生高度反應，而部分木炭蒸發產生大量的CO。同時，碳化過程中形成的孔被打開，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?；钚蕴祭w維的主要功能是具有豐富的微孔結構和活化過程，增加表面積，滿足特定物質的高吸附能力。此外，ACF還具有SO、NO、HS等無機污染物和甲烷、乙烯、異戊酯、乙烷醇、甲苯和二甲苯等吸附消除能力，所以根據口罩的濾芯和結構來看，核心是ACF，這是繼粉末活性碳(AC)和顆?；钚蕴?GAC)之后發展起來的第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

2.2 吸附性能

從表4可以看出，ACF富含小孔，小孔和纖維表面開口處的小孔(90%)，吸附材料可以直接進入微孔，使吸附材料的吸附位置的擴散途徑比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個單位。

表4 ACF與GAC的主要性能對比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，導致比表面積大，吸附容量更大。特別是大腸桿菌達94%～99%，分解速度較快，容易被分解。小孔暴露在表面時，可拆卸物質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下被吸收再生。ACF保護罩上的濾網放在沸騰蒸汽抽屜蓋上2～3圈，取下后可以繼續使用；但反復使用次數不能超過3次，因為使用次數過多后ACF吸附效率和性能都會下降。

3 結語

活性碳纖維的主要原料為粘膠基纖維，然后經過高溫碳化和活化，最終形成物理性能和化學性能優異的新型吸附材料；該纖維材料表面有密集的微孔，另外能夠經過2次加工，生產出不同形態的材料，使其能夠在諸多領域發揮重要作用。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、成型性好等優勢，能夠在有機溶劑的回收、空氣凈化、污水處理等方面發揮作用。在當前疫情的環境下，將其應用到口罩中，防止病毒及其他有害物質。由此可知，將活性碳纖維應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口罩不僅有防塵、防毒、防臭、防菌等作用，而且質量輕，攜帶、佩戴方便，價格便宜。隨著活性碳纖維制備技術的逐漸發展，活性碳纖維材料將會更加廣泛地應用于各類行業。同時也相信活性碳纖維制備技術會更加先進和高效，活性碳纖維防護口罩也將成為市場的主流口罩。