离子交换纤维

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第２７卷第１期 合成纤堆 专 遛


离 子 交 换 纤 维

一 、全——世＿—蓉—～ －黄＿—次——沛～ （中国纺织大学 ２０００５１）

摘 要 ；　ｚ，

本文介绍１离子交换纤维的三种主要制备方法以及离子交换纤维在作分离纯化

过滤　键词：苎　奎塑丝 盟生 应用 ｃ： 绷 、


１ 概述 于弱型阳离子或阴离子交换纤维，是以一定

量的离子交换纤维在一定量一定浓度的

当前离子交换技术的应用范围和重要性 ＮａＯＨ（或Ｈｃ１）溶液中攫一定时间的方法测

Ｅｔ益扩大。现在已广泛用于水的软化，金属 得；对于强型阳离子或阴离子交换纤维，先用

的精制回收，药品精制，疾病的诊断与治疗及 流动床的方法将它们分别转换成Ｈ型或ＯＨ

生物化学等领域。 型，然后以一定浓度的ＮａＣｌ水溶液将Ｈ　与

离子交换纤维是一种纤维状的离子交换 ＯＨ一交换下来，进行测定后计算出总交换容

材料。它的实用价值在于它具有比粒状离子 量。

交换剂更大的比表面。离子交换纤维的离子 ２．工作交换容量：表示离子交换纤维在

交换能力是由固定在构成纤维的高分子化舍 一 定工作条件下的离子交换能力。它受纤维

物骨架上的活性基团的性质决定的，这些活 结构与实际工作条件下各项因素的影响，可

性基团的种类和解离程度决定了其酸碱性及 以模拟纤维实际使用时的工作条件进行测

强弱。根据纤维上活性基团的种类与离解程 定，表示时应注明工作条件和贯流点。

度可将其分为六类：①强酸性阳离子交换纤 ３．再生交换容量：在实际实用中，从经

维，含活性磺酸基和磷酸基；② 弱酸性阳离 济角度考虑，在流出液达到贯流点后，常常不

子交换纤维，主要含羧基；③强碱性阴离子 使离子交换纤维中被饱和的基团全部再生恢

交换纤维，含有季铵基或吡啶基；④ 弱碱性 复　一般只控制再生一部分，离子交换纤维在

阴离子交换纤维，含有仲、叔胺基；⑤ 两性离 指定再生荆用量条件下的交换容量就是再生

子交换纤维，例如同时含有吡啶基和羧基；⑥ 交换容量。

螯合纤维．例如含有偕胺肟基等…ｌ２Ｊ。离子 ２ 离子交换纤维制备方法

交换纤维还可以综合基体纤维和活性基团进

一 步分类。 ２．１ 纤维为原料的化学变性

离子交换纤维的离子交换容量决定于固 用已有的天然纤维及各种合成纤维为原

定在离子交换纤维

大分子结构上的活性基的 料．对纤维上官能团进行化学改性．或通过对

数量及其解离程度以及可及度。建议用三个 纤维进行接枝变性，可制得一些具有离子交

指标说明： 换功能的纤维　』。

１．总交换容量：表示单位量离子交换纤 ２．１．１ 以天然纤维为原料 。维中能进行离子交换反应的化学基团总数， 以天然纤维素纤维为原料制备离子交换

单位为ｍｍｏｌ／ｇ干纤维或ｍｅｑ／ｇ干纤维。对 纤维多半是利用纤维素上的羟基引入各种离

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专 题 合成纤维 ｌ９９８年１月

子交换基团。纤维素经过酯化、醚化、磺化、 将聚丙烯腈纤维偕胺肟化后制成强力较好的

缩醛化、磷酸酯化、援基化及氧化后可制得各 腈纶螫合纤维，对铜的吸附容量达 １４３．

种离子交换纤维。不论是在引入离子交换基 ６０ｍｇ／ｇ干纤维　。

团的制作过程中，还是在以后的加工或使用 再如以聚乙烯醇纤维为原料制备 ＰＶＡ

过程中．作为骨架的纤维素纤维都不能忍受 阳离子交换纤维的生产过程可简示为：

苛刻的环境条件，溶液的酸性或碱性都不能 纺丝原液一干法纺丝一模件化一碳化一

太强。 磺化一酸洗净一强酸性阳离子交换纤维

这一类离子交换纤维交换容量虽然低． 在ＰＶＡ纺丝原液中加入约ＰＶＡ量５％

但由于离子交换基团分布在表面的鞍多．且 左右的脱水催化剂多磷酸铵，经纺丝、拉伸、

纤维素纤维有巨大的表面积与宽松的结构和 热处理制成ＰＶＡ长丝．将长丝或切成的短纤

好的亲水性，因此它对一些大分子的吸附容 维加工成软线状、编织物、非织布等特定形式

量井不小．而且它的作用速度快，容易洗脱． 即实现模件化。再将ＰＶＡ在空气中加热至

分离能力很强。这一类的离子交换纤维可与 １８０～２１０℃，发生脱水反应即碳化；然后在

蛋白质起作用，因此适用于生化领域和用于 ９８％的硫酸中处理引入阳离子交换基团；最

制造固定化酶催化荆。 后在２Ｏ％的硫酸中短时间处理使副产物分

２．１．２ 以化学纤维为原料 解，洗净杂质便制成了带磺酸基的强酸性阳

化学纤维包括合成纤维，半合成纤维，再 离子交换纤维　ｊ。

生纤维和无机纤维。以化学纤维为原料．对 这种离子交换纤维的通水性可与中等粒

其进行化学改性制得离子交换剂的交换容量 径的离子交换树脂相匹敌。也可将“碳化”处

及耐化学药品性有些

可优于纤维素纤维为基 理的纤维与马来酸酐进行 Ｄｉｅｌｓ—Ａｌｄｅｒ反

体的离子交换荆，但随着离子交换基团的增 应，制成弱酸性阳离子交换纤维；将“碳化”处

加，离子交换纤维在水中的膨润性也增加，纤 理的纤维中残存羟基进行卤代缩醛化反应，

维强度，保形性随之下降。解决这一问题的 然后再季铵化制得强碱性阴离子交换纤维；

方法一般是使用原来就具有交联结构的化学 将三乙撑四胺与“碳化”处理纤维反应，得到

纤维，或者在导入离子交换基团的同时或之 弱碱性阴离子交换纤维。

后引入交联键。笔者曾以粘胶纤维为基体与 笔者曾将ＰＶＡ纤维与缩醛化试剂进行

二氯醋酸制成搜酸型弱酸性阳离子交换纤 缩醛化进而季铵化反应制得强碱性阴离子交

维Ｌ｜Ｊ．就是采用了前一方法。也可采用接枝 换纤维．其离子交换容量达到３．６１ｍｍｏｌ／ｇ。

共聚的方法在纤维大分子上引入具有离子交 该法合成途径简单且纤维机械性能保持良

换能力的支链．或引入支链后．再将支链化学 好。另以ＰＶＡ纤维与苯甲醛磺酸直接进行

变性使之具离子交换能力。笔者曾用接枝共 缩醛化反应制得交换容量为３．１３ｍｍｏｌ／ｇ，机

聚的方法分别将ＰＥＴ纤维和ＰＶＡ纤维制成 械性能保持良好的强酸性阳离子交换纤维。

含羧基的弱酸性阳离子交换纤维Ｉｓ．６］。 也曾以ＰＶＡ纤维与磷酸等试剂制成具磷酸

聚丙烯腈或改性聚丙烯脯纤维为原 功能基的阳离子交换纤维。

料．将ＰＡＮ纤维中氰基转化为羧基即可得到 又如以碳素纤维为原料，通过磺化，磷酸

阳离子交换纤维．将丙烯腈与偏氯乙烯共聚 化和氧化可制得磺酸型，磷酸酯型和羧酸型

制成的改性聚丙烯腈纤维与亚硫酸铺反应可 离子交换纤维，还可用其他方法制得乙撑亚

引入大量磺酸基。利用变性聚丙烯腈纤维还 胺化碳纤维，如进一步引入磺酸基可成为两

可引入一二三级胺基。笔者采用浸渍焙烘法 性离子交换纤维。

一 ３４ 一

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另外，还可以复合纤维为原料，例如以聚 用的聚合物或纺丝原液中，以适当方法纺制

苯乙烯作海的成分．聚乙烯或聚丙烯作岛的 成纤维。

成分。将纺成的海岛型复合纤维置于甲醛硫 用上述方法１制备纤维的最大问题是产

酸溶液中．使纤维中的聚苯乙烯部分发生交 品的强度较低，用方法２制备纤维时特别需

联．然后再使聚苯乙烯

组分磺化．从而制得强 注意聚合物之间的相容性．用方法３制备纤

酸性阳离子交换纤维。 维的最大问题是纺丝原液或熔体的过滤性

２．２ 纤维内聚合法 能．对于制成的纤维来说必须使用适当的表

苯乙烯（ｓＴ）．二乙烯苯（ＤＶＢ）作为离子 面处理方法，使纤维表面产生一定的裂缝，以

交换树脂及离子交换膜时具有理想的特性． 使被处理物能渗入纤维内部。

已被广泛地采用，但它们的共聚物具有交联 ｏ

结构，难以直接纺丝，于是人们研究出了纤维

内聚合的方法。首先让充分膨润的纤维（原 ／

ｏＯ 国～国

料纤维）吸收ＳＴ和ＤＶＢ之类的单体，再使 原料纤维（截面 ＾离子变按基团 冉廓 ｓ，Ｈ及Ｍ型

它在纤维内部进行聚合．然后用通常的方法

引入离子交换基团。

根据原料纤维在最终制品中的保留情况

可将其分为两类。原料纤维在最终制品中保

留下来的为一种类型．这一类中根据原料纤 程单体

维的选择又可进一步分为三种型号： Ⅱ）导＾离子变按基圃Ｐ型

１．Ｓ型 以聚氯乙烯纤维为原料； 图ｌ圭ｆ维内聚合法制造各种纤维状离子变换体示意图

２．Ｍ型 以聚乙烯超细纤维为原料； 裹ｉ用纤维内鼍台法翎得的离子交撞纤维的比较

３．Ｈ型 以纤维素醋酸酯纤维为原料， 离子变换纤 磷酸强阳离子变

原料纤维　维内原料纤　换纤维变换密量 备注

在离子交换基团引入后或是引入的同时经加 维的组成 （ｍｒ【｜ｇ）Ｎａ型

水分解，使纤维素三醋酸酯转变成纤维素。 与离子；

原料纤维在最终制品中不被保留下来的 耋ｆ维酸素醣三 无 ４．５ 换树相脂同匀

，

● 易折断

为另一种类型：Ｐ型。这类离子交换纤维的

特点是原料纤维只起铸模作用．它在最终制 聚氯乙烯 聚氯乙烯 ３ 强韧度

．３ 最好

品中被除去。

纤维内聚合法的制造过程和所得产品的 离子变

纤维素 纤维素 换基为

性能可参见图１和表１　ｊ。 三醋院酗　酵加水分解　奸维素三醋艘 ２．０ ◇

２．３ 直接纺丝法 ｃ　ｓ０，

其他制造离子交换纤维的方法概括起 有热粘

来，基本上是：① 用具有离子交换基团的聚 聚乙烯 聚乙烯 ３．０ 着性，

抄纸性

合物或共聚物直接纺丝成型，如用丙烯酸，甲

基丙烯酸等作共聚单体制备具有离子交换基 ３ 离子交换纤维的特点与应用

团的共聚物．然后将它们

直接纺制纤维；◎

用聚合物和具离子交换基团的聚合物（如聚 与颗粒状离子交换树脂相比．离子交换

乙烯吡啶）共混纺丝ｉ③将高岭土．白土等或 纤维主要有以下特点：① 几何外形不同，一

将制成微粒状的离子交换树脂混入纺制纤维 般颗粒状的直径太于３０微米，纤维状的直径

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一 般不超过１０微米；② 具有很大的比表面， 离子交换纤维用于蛋白质的分离与精制过

因此交换与洗脱速度快；◎ 可以多种形式应 程【１０］。

用，如纤维，纱线，织物，非织布等。因此可适 ３．２ 分析用离子交换柱填充剂

用于多种方式的离子交换过程。 用一定方法可制得极细的离子交换纤

另一方面，离子交换纤维虽然它的静态 维，虽然纤维的长径比可能还存在一定分布，

交换容量一般比颗粒状材料低，因而应用范 但纤度大体上均一，柱子的填充密度也比较

围受到局限．但是将它用于下述过程是有价 高，可以作为离子交换色谱柱的填充剂，用于

值的：所需吸附的物质浓度不高，如吸附蒸汽 分析测试。如日立ＣＬＣ一５型离心色谱仪采

和气体，必须具备极高离子交换动力学要求 用直径２０微米钠型强酸性阳离子交换纤维

的场合，例如防毒．提取剧毒或者特别有价值 ＱＣＰ一１５０作固定相。同理可将离子交换纤

的物质。目前离子交换纤维的用途主要有以 维用于同位索的分离及浓缩等。以纤维直接

下几个方面。 填充柱对液体的阻力往往比较大，可通过将

３．１分离纯化过滤材料 离子交换纤维加工成颗粒状，则液体的流通

与颗粒状材料相比，纤维的优点是吸附 阻力就会减小。

速度快，能有效地再生，用于净化、分离气体 ３．３ 以淤浆方式高速处理低浓度溶液

时阻力小。当用于防毒面具中时，防护作用 离子交换纤维比通常的离子交换树脂具

与活性炭相同．而呼吸阻力可大大降低，同时 有更大的比表面积，从纤维中心到表面的距

由于可用普通方法再生，使防毒面具的吸附 离短，因此离子交换速率高。可采用淤浆法

过滤器可多次重复使用。它们可用来收集气 对低浓度溶液作高速处理。将离子交换纤维

体中的有毒物质如ｓ　，ＨＦ，ＨＣ１，Ｎ 以及 投入大容量的处理液，分散后成淤浆状，只需

各种酸雾和具酸性的毒气等　】。 短时间处理即能达到预期的目的。用具有相

另外，由于离子交换纤维的比表面较大， 同基团的离子交换纤

维和离子交换树脂吸附

交换和洗脱速度都快，适用于水溶液中微量 海水巾的铀，其速度差异十分显著（见图２）。

的有用或有毒物质的提取或脱除，可使水溶

液得到深度净化。目前核电站产生的带放射

性污染的水主要靠离子交换纤维来净化　】。

将离子交换纤维用于水的脱盐，纯化。

由于纤维的离子交换速度为树脂的１０—１００

倍，当处理对象相同时，充填量可以减少，使

装置紧凑化。另外，离子交换纤维对蛋白质

等有机大分子、菌体等的吸附能力优良，使处 ５　２Ｏ ６０ １２Ｏ １８０

理后水质良好。日本东丽公司已将离子交换 吸着时同（分钟）

纤维和反渗透膜或超滤膜组合成小型超纯水 图２ 离子交换皇千维与．ｆ交换

制造装置，并实现了商业他，可望用于电子行 树睹吸附铀的速度的比较

业超纯水的制备。 １一离子交换纤维￣ＥＦ（ＱＡＰ一１２０）；

研究发现，以聚丙烯脯为主的磺酸基阳 ２一离子交换讨括ＩＥＲ（Ｄｉａｉｕ　ＳＡ一１０Ａ）

离子交换纤维对胰岛素有很好的吸附性能， 在羧酸型阳离子交换纤维中引入钛酸，

而目前用传统的分级沉淀方法提取胰岛索的 用这种纤维状铀吸附剂从海水中吸附铀。结

得率很低，且所得试剂纯度不高，因而可望将 果表明，向１Ｍｍ　（一百万立方米）的海水中

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投放 ２Ｏ吨这种纤维，能吸附两千多克的 十年代以来人们对其研究和应用开发不断扩

铀　。 大，但至今还处于发展期。目前存在的较突

３．４ 以离子交换功能为基础的其他功能的 出而普遍的问题是：如要保持纺织纤维的状

开发 ． 态与特性，其总交换容量和强度偏低，造价则

利用离子交换纤维的离子交换功能，吸 偏高，有待于进一步的研究和解决。离子交

附一些其他的物质．可以成为新的纤维状功 换纤维在水处理、环保、贵重金属提取、吸附、

能材料。例如用它可以制备固定化酶。如使 过滤材料方面正在逐渐发挥作用，有的已进

其吸附Ａｇ　、Ｓｎ２　或是肥皂等，从而获得杀 入实用阶段．例如前苏联生产的ＢＨＯＨ离子

菌性；吸附铅等重金属离子，成为８及７等射 交换纤维已实现了工业化和系列化，被用于

线的吸收剂【１。 吸附空气中的多种有害气体＿ｌ　。由它可制

离子交换纤维具有很大的外表面积．作 成杀菌性纤维，固定化酶和催化剂，

可制成防

为催化剂是一种很理想的结构状态。让碳纤 辐射材料等，可见离子交换纤维的发展前景

维接上酸性基团后再吸附上Ｎｉ、Ｃｏ等金属 是乐观的。可以肯定，这种新型材料必将得

离子，将其还原．再根据需要进行活化处理， 到进一步的发展。

就成了催化剂。碳纤维和耐高温无机纤维的 参 考 文 献

耐热性和耐化学性等优异性能将为颗粒状金

属氧化物载体（如二氧化硅、氧化铝、炭等）的 【１］Ｌｉｎ　ｗｅｉＦ／ｎａ，Ｌｕ　Ｙｕｎ　ｅｌ　．ＪｏｕⅡ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｆｏｂ＇ｍｅｔ

纤维化开辟新途径。 Ｓｃｉ… ．１９９３．４７（１）：４５

离子交换纤维在冶金工业中的应用日益 【２］倪兼，黄扶沛．中国纺织大学学报．１．９９７（增刊）：６３

［３　３　Ｋｕｂｏｔａ　Ｈｉｔｏｓｈ１．Ｓｈｉｇｅｈｉｓａ　Ｙａｓ￣ｉｈｉ　ｊ　ｌ】ｒｍ】ｏｆ　Ａｐｐｌｉｄ

显著。由于它表面积大，吸附速度快．已被用 Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．１９９５，５６（２）；１４７

于从渣坑浸提液、矿水等稀溶液中回收盒，并 【４］黄瑰沛．李秀燕 中国纺织大学学报１９９６．２２（４）：６３

被用于某些稀土元素的提取【１　。 【５］黄瑰沛苷．纺织学报１９９４，１５（ｔ０）：２０

纤维是交联度很低的离子交换体，具高 【６］　黄ｉｊ＝沛荨 旨成纤维１９８３、（５）：８

度水溶胀性．有极高的吸水性和保水性，可用 【７］黄瑰沛纺织特品技术．１９８６，（３）：５

作卫生材料，脱水剂和油水分离材料等。 【８］周绍箕产业用坊磬ｌ品．１９９０．（４）　ｌ１

【９］周绍箕离子变换与嗳附１９８７，（５）；５１

笔者也曾以离子交换纤维为基础制备了 【１０］产业用纺织品１９９４（５）：４２

磁性纤维和导电纤维。 【ｌ１］张树钧苷蝙．改性纤维与特种纤维．中国石化出版

社．１９９５

４ 结语 【１２］Ｍ￣ｔｈａ　Ｈ　Ｋ毗 Ｆｈｅ　Ｊｏａ￣ｌ。ｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ

离子交换纤维自五十年代开始开发，七 ＆ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ＂．１９９２，（５）：４６

【ｌ３］ Ｂ且ｃ ３．ｘＨＨ　Ｂｏｃｏ １９９０（５）：２２

１０Ｎ－ＥＸＣＨＡＮＧＥ　ＦｍＥＲ

Ｑｕａｎ　Ｓｈｉｒｏｎｇ　Ｈｕａｎｇ　Ｃｉｐｅｉ（ｃＨ　口Ｔｅ，ｔ／／Ｕｎｉｗｒｓｉｔｙ）

Ａｂｓｔｒｓｅｔ

Ｔｈ

ｒｅｅ　ｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｐｒｅｐａｚｅ　ｉｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｆｂｅｒｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｃｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｉｎ－

ｃｘｃｈａｎｇｃ　ｆｂｅｒｓ　ｔｏ　ｆｈｅ￣ｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｓｅｌ￣ｒａｄｏｎ　ａｎｄ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ｔｏ　ｆｌｌｅｒｓ　ｉｎ　ｉｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｆｏｒ　ａｎａｌｙｓ￣ａｎｄ

ｔｏ　ｓｃａｎｅ　ｏｔｈｃ￣＂ｆｉｏｌｄｓ　ｈａｖｅ　ａｌ５０　ｂｅｅｎ　ｊｎｔＩＤｄｌｌｄ


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