活性炭纤维的制备及在核生化防护服中的应用

国防技术基础

２００８年５月

第５期

活性炭纤维的制备及在核生化防护服中的应用

　摘 要：介绍了活性炭纤维的孔隙分布、特性、制备方法及活性炭纤维在核生化防护服上的应用；介绍了国内核生化防护服用活性炭纤维复合织物的研究进展。　关键词：活性炭纤维 核生化 防护服 复合织物

刘恩文

（总装备部防化军事代表局驻宜昌地区军事代表室）

活性炭纤维（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ，ＡＣＦ）是指炭纤维（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ，ＣＦ）及可炭化纤维（Ｃａｒｂｏｎｉｚａｂｌｅ　Ｆｉｂｅｒ）经过物理活化、化学活化或两者兼有的活化反应所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能性炭纤维。基于ＡＣＦ比一般活性炭（ＡｃｔｉｖａｔｅｄＣａｒｂｏｎ，ＡＣ）有着更为优越的孔隙结构和形态，可用作功能材料，在国防、环境保护、化工、卫生、电子、电化学等领域得以广泛应用。

１．活性炭纤维的孔隙结构、分布及其特性活性炭和活性炭纤维均属多孔碳材料，活性炭纤维与粒状活性炭（ＧＡＣ）的孔隙结构和细孔直径分布见图１，从图中可以看出，ＡＣＦ的孔型开口在其表面，孔形为狭缝形，其细孔直径为单峰型分布；ＧＡＣ的孔型为树枝状，有大孔、中孔和微孔，分布较宽，细孔直径为多峰型分布。两者结构不同，使其在吸、脱附速度及吸附量有很大差异；与活性炭比较具有以下特点［１］　：

（１）单丝直径细，约８～２０μｍ，活性炭为１～３ｍｍ，表面积大，约比粒状活性炭大两位数，吸附面积大；

（２）有效吸附孔分布窄，属于单分散型，活性炭属于多分散型孔分布；

（３）没有或很少有大孔，且为径向开孔扩散阻力小，吸附、脱附的行程短，吸、脱附速度快

（约为活性炭的１０～１００倍）　；

（４）外表面积（０．２～２．０ｍ２／ｇ），较活性炭（０．００１ｍ２／ｇ）大得多，吸附位多，吸附容量大；

（５）体密度小，漏损小，处理速度快，可实现设备小型化、高效化和自动化；

（６）杂质少，纯度高，不会污染吸附的气体或液体；

（７）强度高，粉尘少，不会造成二次污染；（８）形态多，后加工性好，适应性强，有纤维、布、毡、纸以及蜂窝状、波纹状和各种定型制品；

（９）易再生，失活少，使用寿命长；（１０）导电，导热，蓄热量小，操作、维修方便，使用安全。

图

１　活性炭纤维与粒状活性炭的细孔直径分布

２．活性炭纤维的制备方法

活性炭纤维的制备包括预处理、炭化、活化三个阶段，其制备基本流程见图２［２］。预处理的目的是使某些纤维在高温炭化时不致熔融分解，以及能改善产品的性能和提高产品的生产率。炭化是在惰性气氛中加热升温，排除纤维中可挥发的非碳组分，残留的碳经重排，局部形成类石墨微晶。活化是指炭化纤维经活化剂处理，产生大量的空隙，并伴随比表面积增大和质量损失，同时形成一定活性基团的过程。常

用的活化剂有热的水蒸气或二氧化碳，也有采用其

图２　活性炭纤维制备基本流程他化学物质如一些金属氯化物、强酸强碱等。

制备ＡＣＦ的关键在于活化工艺，而在相同活化工艺参数下，最终产品的活化效果又取决于所用原料活化的难易程度，因此，原料性质和结构的不同，会导致具体的生产工艺及参数有所不同，所得的产品性能和结构也有各自的特点。表１列出了目前工业化生产ＡＣＦ的各种原料的不同以及各自生产ＡＣＦ的主要优缺点［３］。

３．活性炭纤维在核生化防护服上的应用由于活性炭纤维所具有的比表面积大，

孔径分

表１　不同原料基ＡＣＦ的主要特点

活性炭纤维的制备及在核生化防护服中的应

用

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第５期

布集中，吸、脱速度快，吸附容量大等特点，利用ＡＣＦ的纤维形态，可以直接加工成复合织物（其他核生化防护服吸附材料需采用粘合剂将活性炭粘合在基织物上制成），因此，采用活性炭纤维制成的活性炭纤维复合织物的透气、透湿性和吸附性能可显著提高，是理想的核生化防护服吸附材料，作为第三代核生化防护服的吸附材料，被世界各国所广泛采用；英国、日本、加拿大以及我国台湾等均已大批量装备部队，其他国家也正在研制此类防护服。

英国：英国波顿化学防护研究所早在２０世纪７０年代初提出了使用活性炭布作为核生化防护服的潜在材料的设想，经过２０年的不断努力，终于在１９９２年宣布，她已克服了一系列困难，解决了活性炭纤维强度低，不耐洗涤等技术难点，制造出了重量比当今性能最为优越的Ｓａｒａｔｏｇａ轻一半，而防毒性能、生理性能、使用性能和耐洗性能等极为良好的防化服，吹嘘为“２１世纪士兵的新型防化服”。其战术技术性能如下：

在应用芥子气液滴落下试验中，６ｈ内芥子气透过量为０．１μｇ／１．５ｃｍ２，而北约规定的标准为６μｇ／１．５ｃｍ２。

胶粘芥子气以飞跃速度落在炭布上时，无瞬间透过。

重量为３２０　ｇ／ｍ２，与英国ＭＫⅣ型核生化防护服相当，而为Ｓａｒａｔｏｇａ核生化防护服（６２０ｇ／ｍ２）的一半。

服用期限从６ｈ延长到２８天，并能经受多次洗涤，其性能得到了进一步提高。

在２００７年５月召开的第九届国际核生化研讨

会上，英国公司展示了其新研制的活性炭纤维核

生化防护服。

中国台湾：７７式炭纤维防护服，又称６５型防护服，属于新一代防护服，性能优越，于２０世纪７０年代初研制成功并装备化学兵部队。该防护服的上衣和裤子分开，材料组成形式为三层分离式结构，分别为外层面布，中间层为无纺布与活性炭纤维布之胶合层（无纺布面向外层，活性炭纤维布面向内层）及内层衬里布料（为柔软舒适的棉织物）组成。三层材料组成之防护服其透气度为２８ｃｍ３／ｃｍ２・ｓ（ＡＳＴＭ　Ｄ７３７），优于草绿军服之６．８ｃｍ３／ｃｍ２・ｓ，与ＭＫⅢ型核生化防护服（３０ｃｍ３／ｃｍ２・ｓ）相当，防毒性能大大优于英国ＭＫⅢ型核生化防护服。该型核生化防护服能在潮湿或微雨情况下保证正常的防护功能，并能承受各种毒剂的袭击，可以完全防护大规模化学袭击３次或小规模化学袭击多次。此外，该防护服还具有迷彩伪装和抗红外线侦测功能。

日本：日本装备的“战斗用防毒衣”，其质地有３层结构，中间夹有纤维状活性炭布。这种结构防护服，即使表面破损，也能通过中间阻止神经性毒剂及生物战剂的侵入。

中国：近年来我国有关单位开展了活性炭纤维复合织物研究，并取得了较多的科研成果。

国营第８０９厂以ＰＡＮ基碳纤维原丝为原料，按图３所示的的工艺流程制备出的活性炭纤维复合织物，经对比试验各项性能均满足核生化防护服技术指标的要求，其对丙硫醚“气—气”防毒时间和对戊硫醚“液—气”防毒时间均大于

２００ｍｉｎ，大大高于喷

图３　ＰＡＮ

基活性炭纤维复合织物制备工艺流程