陈剑峰

(拱北海关技术中心，广东 珠海 519000)

活性纤维材料具有很多优异的性能，而被广泛应用于各个行业，其也是目前国内外材料方向的研究热点。国际上活性碳纤维的主要运用领域包括口罩、空气及污染废气的清洁和净化、医疗防护与电子器件以及医用敷料的原材料、催化等。与多孔炭形状的传统活性碳材料相比，由碳纤维技术结合活性碳技术而衍生出的活性碳纤维是碳纤维技术是细小颗粒状，甚至为粉末状。由于高性能碳纤维材料与活性碳材料快速发展，第3代新型高效吸附材料也随之到来。活性碳纤维的优点是吸附效率高于活性碳颗粒，且其小孔分布均匀，透气性好。它可以制造所有的产品，释放和清除气味。活性碳纤维吸附空气时，吸附机理相对复杂，物理吸附和化学吸附不仅受堆积和浸渍的化学处理影响，而且还会受表面物理化学性质的影响。为此，我们对上述性能进行了详细的研究，并对活性碳纤维的吸苯量、四氯化碳、灰分、产品强度和折叠性能进行了分析。

1 活性碳纤维的物理化学特性

1.1活性碳纤维的物理实验及其表面分析

根据X射线衍射分析，将活性碳纤维研磨成粉末，用X射线衍射仪以一定的速度扫描，比对和孔径分布测量表，采用北京分析仪器厂的ST-03表进行数据对照；数据由IBM-PC通过累加和孔径测量仪计算得出。红外光谱第1步是将活性碳纤维磨成粉末，根据KBR Perking-Eliner 9836红外光谱仪扫描透射红外分析3次，每次扫描6 min。

将空气温度从40 ℃ 加热到80 ℃ ，记录空气中直接加热前后的质量变化率。首先用AR清洗X射线电子光谱5 min，然后扫描Perk-Inger的X射线光谱。金属离子含量分析是将样品在高温炉中溶于盐酸，然后用上海分析仪器厂生产的310型原子吸收分光光度计进行分析，根据标准曲线测定含量。化学元素氮(N)、氢(H)和碳(C)是用Perking-Eliner元素分析仪测得的，计算金属离子含量的方式就是将总量100%减去N、H和C百分比含量所得。其中，吸苯量(BAW)的测量是取一定量的活性碳纤维放入U型吸附管中。苯流体形成一定量的气流，然后用U型吸附装置测量活性纤维的质量增加，各碳的苯吸附量的增加表示光纤。活性碳纤维类似于颗粒活性碳，是一种非常无序的碳层结构，称为无定形碳或微晶碳。

与传统的颗粒活性碳素相比，活性碳纤维素具有相似的基本结构和高度无序的碳层结构，属于无定形碳或单晶碳。图1是不同于碳纤维的活性碳纤维的X射线衍射曲线(活化度分别为和)。

图1 X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern

从图1中可知，活性碳纤维随温度变化而活性化；但间隔几乎不变，其原因主要是由于活性气体对晶体碳的蚀刻，使温度升高，活性气体和碳的反应性相应增加，蚀刻加重，就会造成晶粒变小。

表1为活性碳纤维洁净参数，其中ACF、ACF分别表示在低温和较高温环境下活化的活性碳纤维。

表1 活性碳纤维洁净参数Tab.1 Activated carbon fiber cleaning parameters

由于活性碳纤维具有密集的孔洞，因此其吸附表面积有所增加。活性碳中的大孔只是为吸附材料到达内部小孔提供的通道。计算活性碳的比表面积使用碳吸附法(BET)；另外，还需要计算出活性碳孔径分布曲线，结果如图2所示。

图2 活性碳纤维孔径分布曲线Fig.2 Pore size distribution curve of activated carbon fiber

由图2可知，活性碳纤维ACF和ACF采用的处理方式不同，从中可以推出只有在孔径较为狭窄的时候，获得的吸附性才是最大的，也即最为理想的吸附效果。

1.2 活性碳纤维的化学特性

在活性碳纤维表面，氧化活化后的大分子碳形成结晶角，形成氧基，如羧基、碳基和醚基。通过化学滴定，活性碳纤维表面的官能团含量如表2所示。

表2 活性碳表面官能团含量Tab. 2 Content of functional groups on activated carbon surface mg/g

活性碳纤维具有良好的吸附性能，主要原因在于其孔隙结构；另外，其化学组成也会产生很大的影响，也就是官能团对活性碳纤维吸附性具有较大影响。一般碱性基团是在低温和碳表面氧的反应条件下产生的，温度达到-40 ℃时也可以产生。因此，活性气体的抗氧化强度对活性碳纤维的碱性基团没有显著影响，但对酸性基团的含量有很大影响。

图3为活性碳纤维的红外光谱图。

图3 活性碳纤维的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of activated carbon fiber

从图3可以看出，吸收峰出现在波数为1 100、3 400 cm处，可以说明酚羟基基团存在于纤维表面；连续小峰出现在波数为2 500～2 700 cm内，可以说明羧基基团存在于该表面。通过上面的化学分析可知，活性碳纤维具有优良性能，85%的微孔集中在直径1～2 nm，不仅碳含量好，且其表面含氧基团较多，所以具有较好的热氧稳定性。另外，材料还具有很好的折叠性等，正因为这些优良特性，使得活性碳纤维能够在吸附领域发挥重要作用，尤其在新冠疫情环境下，将活性碳纤维应用到口罩中能够起到较大作用。

1.3 活性碳纤维制备

当下有一种新的活性碳纤维的制造方法——气液双效，其原理是用氢氧化钾浸泡再结合热空气氧化的方法进行活性碳纤维的制备。这种方法能得到的性能更好的活性碳纤维材料，此种方法还具有很大的市场前景。

2 活性碳纤维在口罩中的应用

活性碳纤维(ACF)保护口罩由ACF内心、无纺布内盖、白色纯棉盖和鼻钩组成。表3是某医院收集的口罩并对其进行统计分析的结果，其主要是从ACF和普通的口罩的层数、过滤的效果、透析效果和吸附效果这几个方面进行了比较，得出ACF口罩的性能和适用范围都远远超过了一般纱布口罩。

由表3可知，使用ACF作为过滤器的保护口罩的性能与普通纱布口罩无法相比。

表3 ACF防护口罩与普通纱布口罩的性能对比Tab.3 Performance comparison between ACF protective mask and ordinary gauze mask

活性碳纤维防护口罩的结构如图4所示，其由非织造布内罩、纯棉外罩和鼻夹组成，其性能与适用领域都远远超过普通口罩。

图4 活性碳纤维防护口罩的结构Fig.4 Structure of activated carbon fiber protective mask

2.1 口罩滤芯ACF制作工艺

其原理是利用气体活化法，如蒸汽产生碳化碳与气体发生高度反应，而部分木炭蒸发产生大量的CO。同时，碳化过程中形成的孔被打开，这些孔直接暴露在纤维表面，形成富纳瓦孔。这些空间的大小与超细颗粒相同，大大增加了活性碳纤维的比表面积，并提供了吸附剂的功能。活性碳纤维的主要功能是具有丰富的微孔结构和活化过程，增加表面积，满足特定物质的高吸附能力。此外，ACF还具有SO、NO、HS等无机污染物和甲烷、乙烯、异戊酯、乙烷醇、甲苯和二甲苯等吸附消除能力，所以根据口罩的滤芯和结构来看，核心是ACF，这是继粉末活性碳(AC)和颗粒活性碳(GAC)之后发展起来的第3代新型碳材料，制作工艺如图5如示。

图5 ACF制作工艺流程图Fig.5 ACF manufacturing process flow chart

2.2 吸附性能

从表4可以看出，ACF富含小孔，小孔和纤维表面开口处的小孔(90%)，吸附材料可以直接进入微孔，使吸附材料的吸附位置的扩散途径比GAC短得多，口径分布精矿和活性碳纤维能显示良好的吸附特性，两者相差2～3个单位。

表4 ACF与GAC的主要性能对比Tab.4 Main performance comparison between ACF and GAC

吸附剂的孔径分为微孔(小于10 nm)、小孔(10～100 nm)和大孔(0.5～5.0 μm)。ACF没有明显的孔隙和大孔，但有许多孔径分布的2 nm微孔，具有分子本身的性质，导致比表面积大，吸附容量更大。特别是大肠杆菌达94%～99%，分解速度较快，容易被分解。小孔暴露在表面时，可拆卸物质的可拆卸距离大大缩短。解吸速度快，ACF可以在较松散的状态下被吸收再生。ACF保护罩上的滤网放在沸腾蒸汽抽屉盖上2～3圈，取下后可以继续使用；但反复使用次数不能超过3次，因为使用次数过多后ACF吸附效率和性能都会下降。

3 结语

活性碳纤维的主要原料为粘胶基纤维，然后经过高温碳化和活化，最终形成物理性能和化学性能优异的新型吸附材料；该纤维材料表面有密集的微孔，另外能够经过2次加工，生产出不同形态的材料，使其能够在诸多领域发挥重要作用。比如活性碳纤维具有吸附量大、吸附速度快、耐热性好、耐酸耐碱、成型性好等优势，能够在有机溶剂的回收、空气净化、污水处理等方面发挥作用。在当前疫情的环境下，将其应用到口罩中，防止病毒及其他有害物质。由此可知，将活性碳纤维应用到口罩中能有效防止有害气体或粒径为5 μm的颗粒渗入人体。另外这款活性碳纤维防护口罩不仅有防尘、防毒、防臭、防菌等作用，而且质量轻，携带、佩戴方便，价格便宜。随着活性碳纤维制备技术的逐渐发展，活性碳纤维材料将会更加广泛地应用于各类行业。同时也相信活性碳纤维制备技术会更加先进和高效，活性碳纤维防护口罩也将成为市场的主流口罩。