活性炭纤维的制备及其应用进展

黄锦波 邵灵达 祝成炎

（浙江理工大学，浙江杭州，333213）

活性炭纤维是一种密度低，具有许多微孔结构的碳纤维材料。活性炭纤维的多孔结构可以通过吸附作用与主体发生物理或化学作用，达到消除有色、气味或有害物质的作用，被广泛应用于食品、医疗、溶剂回收、饮用水处理、废气、废水处理和燃料电池工业等领域［1］。活性炭纤维大致可以分为酚醛基活性炭纤维、沥青基活性炭纤维、粘胶基活性炭纤维、聚丙烯腈基活性炭纤维、生物质基活性炭纤维五大类。由于生物质基活性炭纤维具有良好的循环稳定性和再生性，受到学者广泛研究。生物质基活性炭纤维广泛存在于自然界中，有许多科学家通过对废弃的棉纤维在亚临界水中制备回收炭微球，以此为废旧棉纤维的高价值化利用开辟一条新途径［2-3］。

目前国内外学者主要针对活性炭纤维的改性及其应用技术研究，已取得一些成果。但在纺织领域由于活性炭纤表面微孔结构，使纤维间大分子被破坏，纤维强力较低，难以纺纱织造。本文介绍了活性炭纤维的制备工艺及在环境治理、医疗防护和超级电容等方面的应用情况，提出将活性炭纤维制备工艺应用到织物炭化，可以快速得到炭化织物所需要的应用形态，并保留活性炭纤维原有性能。

1 活性炭纤维制备原理及研究进展

活性炭纤维经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的化学基团，是特异性吸附能力较强的碳材料。活性炭纤维加工，根据加工方式的不同可分为物理活化和化学活化。加工过程中通常包括三个阶段：预氧化、炭化和活化。活化处理的主要目的是增加碳材料的孔隙度和比表面积，以提高吸附能力。物理活化通常利用空气、二氧化碳和水蒸气等在高温下与碳材料内碳原子反应。在化学活化过程中，科研人员通常用H3PO4、ZnCl2、H2SO4、KOH和K2CO3等作为活化剂与碳材料发生一系列的交联或缩聚反应，进而制备出丰富微孔。根据MARSH Harry［4］研究，在热解过程中，分子中O、H和N等原子能够形成气体，在活化前作为挥发性气体产物被消除。残余的碳元素随机地在扁平的芳烃层之间形成组和堆，并且由于不规则性而在片层之间产生间隙。这些层合板可能被焦油和其他分解产物填充或部分堵塞，从而成为无组织的碳。这些混乱的碳首先与气体在活化过程中发生反应，使纤维内部产生孔隙，从而改善比表面积，增加吸附剂的容量［5-7］。

活性炭纤维的线性结构以及活性炭的表观结构使其具有较为广泛的应用价值。李海红等［8］以废旧棉布为原料，以K2CO3为活化剂，经化学活化法制备棉纤维基活性炭，在温度为818℃得到活性炭纤维，其比表面积达1 624.79 m2/g，平均孔径为2.57 nm，表面官能团种类稀少，活化较彻底。高银东等［9］以棉纤维为原料，采用ZnCl2为活化剂，通过自黏结成形法制备成型活性炭，活化温度为600℃，成型压强10 MPa，所得棉纤维基活性炭纤维具有丰富的官能团，微观结构以微孔为主，比表面积为1 743 m2/g，平均孔径为2.17 nm。

日本可隆工业株式会社尹浚荣等［10］的发明公开了一种长丝型活性炭纤维，该长丝型活性炭纤维具有0.88 cN/tex至8.82 cN/tex的强度，具有较高的耐久性。刘瑞来［11］以棉纤维为前驱体，经聚磷酸铵浸泡，通过预氧化和炭化制备棉纤维基活性炭纤维；结果表明，所制得的棉纤维基活性炭纤维大部分为微孔结构且孔径分布较宽。燕山大学李秋荣等［12］公开了一种剑麻活性炭纤维的制备方法，该方法采用KOH溶液对炭化剑麻纤维进行浸渍处理，得到浸渍剑麻纤维，然后对浸渍剑麻纤维进行活化处理，得到剑麻活性炭纤维。黄锦波［13］等通过在惰性气体保护下于850℃制备活性炭织物，其研究表明活性炭织物具有较好的保温性能，能够快速达到升温平衡，减少能耗，具有良好的隔热性能。

2 应用领域

活性炭纤维由于具有发达的孔隙结构和较大的比较面积以及较强的导电性能，被广泛应用于环境治理、医用防护、超级电容等多个领域［14-15］。

2.1 环境治理

2.1.1 有机污染物的处理

活性炭纤维经表面活化处理，其表面充满微孔结构，分子间的相互作用力使其较于活性炭保持较好的表观形状，因此其被学者广泛应用于污染物去除的研究中。活性炭纤维不仅可以用于环境污染治理也能作为环境治理载体应用。彭勇等［16］提出TiO2光催化技术与活性炭纤维在水体修复领域的联合应用技术；该技术指出活性炭纤维在环境治理中具有很好吸附性能以及稳定的化学结构，不仅能很好地将有机物吸附到活性炭织物附近，提高污染物降解速度，而且活性炭纤维具有稳定化学结构，能长时间起到环境治理效果。将TiO2负载活性炭纤维表面能产生很好的环境治理效果，原因在于去除污染物过程中包含了活性炭纤维物理吸附和化学吸附过程。污染物经TiO2光解综合作用，能有效处理工业废水以及生活污水。

活性炭纤维可适用于各种有机废水的处理，如对化工、冶金、炼焦及轻工业废水中的颜色、气味、油份等都能有效地去除；也可去除生物难以降解的物质，如氯化物、苯酚等。

2.1.2 重金属废水的处理

活性炭纤维较大的比表面积及微孔结构在治理重金属废水方面也有很好的应用效果，但常用的普通活性炭纤维的吸附容量并不高，所以需要对活性炭纤维进行目标改性，以提高其吸附能力。ANWAR Jamil等［17］使 用H2SO4和HNO3对活性炭进行氧化改性，结果表明：经HNO3改性后的活性炭因产生更多的吸附位点而对Cr（Ⅵ）的吸附性能大大加强。肖乐勤等［18］也做了相近研究得出相同结论。姚书恒［19］通过研究微波辅助硝酸氧化改性对黄麻活性炭纤维理化性质的影响及其对Pb（Ⅱ）吸附动力学等温线，结果表明：微波能使被加热物体因内部偶极分子高频往复运动而使被加热物体温度升高，并能使某些化学键因剧烈震荡而断裂，促进反应过程的进行。

2.1.3 废气处理

在废气处理领域，姚炜屹［20］针对活性炭纤维的微孔结构和表面含氧官能团对甲醛吸附性能的影响做了分析，结果表明：活性炭纤维的比表面积、孔容和孔径对甲醛吸附性能均有影响；其中，甲醛吸附性能主要由活性炭纤维中孔径在0.9 nm～1.8 nm之间孔径数目和孔容的大小来决定，与总比表面积和孔容大小无关。周平等［21］用活性炭纤维制成网状，同活性炭纤维布分别填装滤芯，其动态吸附试验表明活性炭纤维网布具有良好的废气吸附效果，活性炭纤维网比活性炭纤维布更适用于大风量有机废气治理；但活性炭纤维网和活性炭纤维布机械强度都不高，床层阻力非常大，无法满足大风量废气的治理要求，需要特殊方法加固。

2.2 医用领域

活性炭纤维相比于传统纤维，不仅具有更好的吸湿、吸附等特性，而且具有较好的生物兼容性，可以广泛应用于医用领域。活性炭纤维常用作生物载体与铜、锌和银等纳米级颗粒结合能够制备抗菌效果好，具有透气、高效吸脓吸臭的新型医用敷料。

ASHFAQ M等［22］采用化学气相沉积法，将铜、锌纳米颗粒负载活性炭纤维，与碳纳米纤维制备一种复合材料；该复合材料呈现双金属非对称分布，能够抑制多种细菌的生长，可用作伤口敷料，促进伤口愈合。刘维春等［23］采用离子交换法制备氧化银活性炭织物，氧化银纳米颗粒附着在活性炭纤维表面上，制成抗菌敷料；这种抗菌敷料的杀菌性能显著，研究表明其对直径较小的细菌同样具有很好的抑菌效果。熊亮［24］以粘胶纤维为原材料，在纤维表面以化学镀的方式引入银成分，制得了含银活性炭纤维敷料；结果表明：该敷料具有广谱抑菌性，良好的吸液性能和生物相容性，作为敷料使用安全有效。刘帅［25］等开发了一种藻酸盐/活性炭纤维复合敷料，其具有抗菌、吸液和保湿性能，能更好地促进伤口愈合。

活性炭纤维在医用防护领域有其他传统材料不具备的优势：活性炭纤维应用于医用敷料可在3天～5天内保持长效抗菌性能，具有较高远红外放射性能促进皮肤胶原蛋白的形成及生长因子分泌，具有良好的吸湿性，能够帮助皮肤恢复合适的湿度。此外，活性炭纤维所织得的织物具有良好的力学性能，确保织物使用牢度。

2.3 超级电容

根据目前研究发现，天然纤维通过高温炭化活化能够制备活性炭纤维织物。该活性炭纤维织物的网状结构具有自支撑作用和良好的导电性，可以应用于超级电容器的柔性电极。目前生物基炭纤维，因其高功率密度，快速充电、放电速率和长期稳定性而应用于超级电容器领域［26］。曾良鹏［27］采用ZnCl2对棉织物进行预氧化，随着炭化温度的升高，棉织物内部微观结构逐步由混乱转变成有序化。石墨化的层状结构使活性炭纤维的导电性和稳定性得到了提高。经HNO3表面改性氧化，活性炭纤维的导电性和稳定性得到了提高。LI Hongbao等［28］将纯棉织物在惰性气体中炭化制备活性炭织物，再在活性炭织物上负载纳米级MnO2，使其具有良好的电化学性能，可以作为一种价格低廉环保型电容。许世超等［29］以硝酸镍和硝酸钴为金属源、尿素为碱源，采用水热法对一步活化法制备出的聚丙烯腈基活性炭纤维进行修饰，使其表面均匀负载海胆状的镍钴氧化物，研究结果表明：该活性炭纤维改性材料具有较大的比电容和良好的循环稳定性，可用作超级电容器电极材料。棉织物作为一种可再生的生物质材料，通过炭化处理制备具有多孔网络结构的活性炭织物，对未来智能储能服装发展具有重要意义。

3 结语

天然基纤维活化制备活性炭纤维具有广泛的市场来源，通过活化处理可以制备成活性炭微球、纤维、纱线及织物等。活性炭纤维因其微孔结构及超大比表面积，不但可以作为载体应用于环境治理，而且具有良好的医护性能，通过特定改性应用于超级电容，为智能储能服装的开发提供了可能。但活性炭纤维的产业化应用却很低，主要是活性炭纤维自身强度太低，且产品加工方式不同性能相差也较大。产业化使用往往需要深度加工，增大了使用成本。如何寻找更好、更简单深加工应用技术是急需解决的难题。