透气式球形活性炭化学防护服复合面料的制备与性能研究

吕 燕，蒋康宇，杨德利

（63600部队，甘肃 酒泉 735000）

根据透湿机制和防护机制，可以把防护服分成4种类型，分别是选择性透气式、半透气式、透气式、隔绝式。透气式化学防护服不但拥有良好的防护性能，还可以优化穿着者的生理舒适性。针对多层结构进行优化设计，兼具防侦视伪装、散热、阻燃、透气、耐高温、防毒等多样功能，逐渐成为近期的研究热点。

1 复合面料的研制

参考德国的SARATOGA防护服复合织物，设计透气式的化学防护服面料结构。相关复合面料主要以防油和吸附为基础实施防毒，外层防水防油迷彩面料同时兼具防油功能，可以有效防止毒剂液滴朝内部渗漏，使得毒剂液滴掉落表面不会铺展开来，但会透过毒剂蒸汽。吸附层材料内的球形活性炭能对外部渗透的毒剂蒸汽进行全面吸附，达到防毒的目的。实施防毒的过程中，该种复合面料还可以防止人体汗液和热量向外散发，促使生理舒适性能和防护性能实现基础平衡。

2 测试

在正式测试前，率先在100 ℃低温状态下，将样品进行12 h的干燥处理，随后放置于350 ℃的真空环境内进行4 h的干燥处理。通过比表面积和孔隙分析仪，将高纯氮气当成吸附介质，于-196.15 ℃液氮温度下，对规格不同的球形活性炭孔结构和比表面积进行测试。

静态苯平衡吸附量，通常是对球形活性炭在有机气体方面的静态吸附能力进行表征，测试方法为：在120 ℃的温度状态下烘干样品，直到质量恒定，称取相应的样品放置在称量瓶内，并将称量瓶放到干燥器内，加入苯，以一定时间为间隔，称取样品质量，确保吸附满足质量恒定条件。观察表面形貌，在对不同类型的球形活性炭化学防护服吸附层面料实施喷金后，通过电子扫描显微镜，仔细观察与经编基布之间的黏合状况以及球形活性炭表层形貌。

参考防毒服的相关规范，测试球形活性炭复合面料在液气方面的防毒性能。将4滴5 μL的戊硫醚液滴倒入防油、防水的迷彩织物中，阻挡了液滴，发现戊硫醚液滴蒸汽朝吸附层渗透。从最开始滴落到吸附层，到另一面出现戊硫醚液滴的蒸汽指示，试纸变蓝的该段时间便是材料液气防毒时间[1]。

3 复合面料性能结果讨论

3.1 比表面积以及孔结构

通过分析发现，沥青基球形活性炭SAC1和SAC2都展现出I型吸附等温线。处于相对低压条件下时，氮气吸附量持续上升，普遍出现微孔吸附，证明了沥青基球形活性炭主要是微孔形式。在相对压力持续上升的情况下，吸附初步达到饱和，吸附等温线相继平缓下来，并展现为平台模式。至于聚合物基球形活性炭SAC4以及SAC3，全部展现为代表性的IV型吸附等温线。处于相对低压下时，氮气吸附量快速上涨，以微孔吸附为主。处于相对高压条件下时，因为毛细凝聚，会产生吸附滞后环，证明聚合物基球形活性炭当中分布着各种大孔。

结合相关定义分析，孔径低于2 nm的便是微孔，而超出50 nm的便是大孔。如果孔径范围为2～50 nm，则可以称为中孔。结合孔径分布曲线能够进一步发现，沥青基球形活性炭SAC2以及SAC1孔径的范围主要为0.4～2.5 nm。其中，大部分都是低于2 nm的微孔，超出50 nm的区间内仅诞生了极小峰，证明SAC4以及SAC3聚合物基球形活性炭中以微孔为主，且其中存在少数的大孔和中孔。至于SAC4以及SAC3聚合物基球形活性炭，除了于0.4～2.5 nm范围内会呈现出众多尖锐孔径峰之外，还在20～200 nm这一区间诞生了大量的孔径峰，叠加后获得较强宽峰，证明SAC4以及SAC3之间存在较多的大孔和中孔。同时，因为存在较多的大孔和中孔，聚合物球形活性炭SAC4和SAC3的平均孔径和总孔容远远超出沥青球形活性炭SAC2以及SAC1，而沥青球形活性炭对应比表面积远远超出聚合物基。SAC4因为体积明显超出其他的球形活性炭，所以属于最低的比表面积。

3.2 表面形貌

分析发现，不同类型的球形活性炭样品拥有较好的球形度和滚动性。经过对比分析可以发现，不管是国产或进口的沥青球形活性炭SAC2和SAC1，都呈现为表面粗糙状态，且存在大量的凹坑，而聚合物活性炭SAC4以及SAC3表面相对平滑。

3.3 吸附层材料黏结牢度

结合4种吸附层材料样品实施机洗前后的变化，通过计算能够获得球形活性炭对不同材料的洗脱率。分析发现，4种吸附层材料对应的球碳洗脱率全部小于1.10%。其中，洗脱率最低的是0.41%，证明球形活性炭和基布之间拥有良好的黏结牢度。

3.4 球形活性炭吸附能力

4种类型球形活性炭在全面复合后，对苯的吸附量开始下降。沥青球形活性炭SAC2和SAC2苯吸附量明显超出聚合物球形活性炭SAC4以及SAC3，主要原因是SAC2以及SAC1拥有相对较大的比表面积。此外，因为等同于吸附剂的孔径与吸附质分子彼此动力直径大致相同，随着孔径的提升，会形成更好的吸附效果。苯分子相关动力学直径是0.65 nm，发现SAC4以及SAC3内大孔和中孔的存在会影响小分子苯的吸附作用，使得苯吸附量明显小于沥青球形活性炭。通过图1发现，尽管球形活性炭复活后存在苯吸附量降低的现象，整体吸附容量保留率依然超出87%。借助对比分析可以发现，随着球形活性炭直径扩大，苯吸附量降低率不断减小。在相同上胶量的条件下，小直径球形活性炭逐渐被胶点所覆盖表面积相对较大，而直径处于中等的球形活性炭被覆盖面积位居第二。拥有最大直径的球形活性炭被覆盖面积最小，苯吸附量降低率也相继减小[2]。

3.5 复合面料透气性能

针对球形活性炭防护服相关吸附层的面密度以及透气率实施准确测试，最终测试结果如图1所示。在上胶量和基布相同的条件下，球形活性炭防护服对应的吸附层面密度会随着活性炭直径的扩大而增长，原因是单位面积碳量会随着活性炭直径的扩大而增加。随着球形活性炭整体直径增加，相关透气率也进一步扩大。至于最高直径的SAC4，由于活性炭之间的整体堆砌密度相对较低，出现了大量的空隙，吸附层材料在单位时间内于单位面积中流通的空气体积进一步扩大，所以与其他3种球形活性炭相比，整体透气率得到了明显提升。

3.6 复合面料防毒性能

实验制备了类型不同的吸附层材料对应气-气防毒时间和液-气防毒时间，由于气-气防毒在时间测试过程中，相关染毒气体是按照（0.010±0.001）L/（min·cm2）的速度经过吸附层材料的，与液-气防毒时间相比，可以看出气-气防毒时间的减少幅度十分明显。而经过编涤纶基布对应液-气防毒时间是20 s，至于气-气对应防毒时间是0 s，不存在任何防毒作用，证明主要是球形活性炭会对吸附层材料产生防毒功能[3]。

分析可发现，SAC1类型球碳的气-气防毒时间为156 min，而液-气防毒时间超出48 min；SAC2类型球碳的气-气防毒时间为157 min，而液-气防毒时间超出48 min；SAC3类型球碳的气-气防毒时间为158 min，而液-气防毒时间超出48 min；SAC4类型球碳的气-气防毒时间为200 min，而液-气防毒时间超出48 min。4种不同类型的球形活性炭材料对应的液-气防毒时间均超出48 h，至于对应的气-气防毒时间也超出140 min，远远超过国军标液-气对应的防毒时间，不低于6 h，满足气-气防毒时间不低于30 min的基础要求。防毒性能最好的便是SAC2沥青活性炭，对应的液气防毒时间远远超出48 h，气-气防毒时间是140 min。经过对比分析发现，聚合物球形活性炭对应的吸附层材料相关气-气防毒时间明显短于沥青球形活性炭。因为聚合物球形活性炭的比表面积相对较低，存在大量的中大孔，会影响毒剂对丙硫醚分子吸附的模拟结果。该种现象的出现原因是球形活性炭的某些孔隙于复合中遇到黏合剂堵塞，最终使吸附层材料内的球形活性炭比表面积形成了相应的变化，随之对应的吸附性能也产生了某种变化。除此之外，于吸附中，吸附质从液体、气体最终到球形活性炭的内部传递涵盖表面吸附、内部扩散和外部扩散3个部分构成，随着球形活性炭整体直径的扩大，球形活性炭中吸附质对应的传递时间会随着直径的增长而不断扩大，有效延长了材料的防毒时间。

4 研究结论

沥青球形活性炭在苯吸附效果明显超出聚合物球形活性炭。在实施复活后，4种不同类型的球形活性炭吸附容量均超出87%，而苯吸附量的缩减率会随着直径扩大而降低。如果上胶量和基布相同，球形活性炭防护服吸附层对应的面密度会随着活性炭直径增加而扩大，对应透气率同样会随着直径扩大而增长。对于基体相同的球形活性炭而言，随着球碳直径的增加，尽管对应孔容和表面积相对较小，但气-气防毒时间进一步延长[4]。

综上所述，针对透气式球形活性炭化学防护服复合面料进行制备和性能研究，能够采取有效措施促进防护服综合性能的全面优化，促进我国防护服制备领域的进一步发展。