竹炭纤维―新世纪的理想化工材料

摘要:通过对竹炭纤维具有的特殊结构的了解,从多种角度介绍了竹炭纤维的特殊功能,并探讨了竹炭纤维发展的新趋势和方向。

关键词:竹炭;竹炭纤维;吸附

文章编号:1005-6629(2010)10-0046-03 中图分类号:TA651 文献标识码:E

竹炭是近几年刚刚兴起并迅速掀起开发热潮的产品,充分利用竹炭特性开发功能性竹炭纤维纺织用品对于提高我国纺织品在世界的竞争力具有深远的社会意义。同时,竹炭是竹材资源利用的一个新突破,竹炭纤维具有“黑钻石”的美誉,被称为“21世纪的环保新卫士”。从日常所接触的知识,我们非常清楚,竹炭纤维制品已被广泛应用于医疗防护服饰、婴幼儿及孕妇防护服、袜子、毛巾、高档内外衣面料、床上用品、窗帘、地毯、宾馆及家庭装饰织物、车及船的内饰织物、空调过滤器、美容面膜等。

1竹炭的发现与发展

竹炭的生产起始于20世纪90年代中期,它是竹材及其加工剩余物经高温热解的产物,在国外进行竹炭研究的主要是日本、韩国、印度尼西亚等国家。竹炭改性涤纶最早是日本研制开发出来的。2005年,日本自然科学杂志报道称,日本生产出500吨的竹炭纤维,它的加工方法是第一步竹炭加工,然后简单地将竹纤维拉长并与化纤、棉线等交织在一起[1]。

我国自1995年开始烧制竹炭,1997年初浙江省文照竹炭有限公司率先开发出了适合国际市场需求的作为纺织产品填充物的系列竹炭产品,而河南省新乡白鹭化纤集团是国内最早见报道生产竹炭纤维的企业,2003年该企业成功开发出了竹炭粘胶纤维[2]。同年,华东理工大学联合上海华力索菲科技有限公司研发出一种将纯天然的超细竹炭添加剂涂在涤纶、粘胶等纤维表面上的新技术,这种天然植物添加剂移植到化纤中是一个新亮点,也是纳米技术与纺织结合的产物。将竹炭用于纺织是一项新技术,竹炭及其纤维产品的生产迅速遍及我国多个省和地区。

2004年以来,中国台湾地区也陆续报道有新型竹炭纤维问世。2005年,北京百泉化纤厂开发的竹炭磁性纤维,可以使人们在人造空气负离子的小环境中,进行“无痛磁性理疗”,达到全天候保健的目的,是竹炭纤维工业的特大突破。而2006年,浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司成功开发出多功能环保型竹炭改性涤纶[3],竹炭纤维工业正在迅猛发展之中。

2竹炭的组成与结构

2.1竹炭的化学组成

竹炭来自于天然的竹子。工业上主要选择南方生长5年以上的毛竹为原料,经高温干燥碳化工艺处理后得到竹炭。竹炭纤维的分子结构呈六角形,质地坚硬,细密多孔,竹炭的比表面为700 m2/g,相当于一个篮球场的面积,是普通木炭的2―3倍。同时,竹炭还含有丰富的矿物质,是普通木炭的5倍。

竹材炭化后得到的竹炭, 化学成分主要是纤维素、 半纤维素和木质素, 分子式可表示为(C6H10O5)n,三者同属高聚糖,总量占纤维干质量的90%以上,其次是蛋白质、脂肪、果胶、单宁、色素和灰份等,大多数存在于细胞内腔内,直接或间接地参与其生理作用。竹材燃烧后的无机成分都留在灰份中,含量相对较多的有K+、Mg2+、Na+、Ca2+等无机离子,其含碳量为52.06~85.42 %,含H、O的比例随燃烧的温度不同而各有差异。纤维素是竹炭纤维中最主要的成分,由于生长地域不同,纤维素的含量也不同,一般为40~53 %不等,明显低于棉和麻纤维。半纤维素是由多种糖单元组成的复合聚糖的总称,它是无定形物质,半纤维素的聚合度低,吸湿易润涨,是纤维之间和微细纤维之间的“粘合剂”和“填充剂”。

木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳―碳键联结而成的芳香族高分子化合物,存在于胞间层和微细纤维之间。纤维素大分子的基本链节是β―葡萄糖剩基,相邻的葡萄糖剩基转过180°,彼此以1,4甙键相结合形成大分子。每个葡萄糖剩基上有三个羟基, 由于羟基的存在,决定了纤维素纤维比较耐碱而不耐酸, 而且具有一定的吸湿能力[4]。

2.2竹炭的内部结构

竹炭的内部结构比较复杂,肉眼无法观察到,若通过用显微镜观察(见图3和图4所示),无论是横向还是纵向截面,都体现出每一根竹炭纤维呈现出内外贯穿的蜂窝状微孔结构,这为竹炭纤维的超强吸附能力提供了良好的基础。在工业上,竹炭只是一个炭化后的竹子,通常需要提炼,才能得到可以拓展运用的材料――竹炭纤维。

3 竹炭纤维的性能

3.1竹炭纤维的优良性能

竹炭表面及内部特殊的超细微孔结构使其具有很强的吸附能力,竹炭吸附能力是木炭的5倍以上,除对人体异味、油烟味和粉尘具有吸收、分解异味和消臭的作用外,还有很多优良的性能[5]。

(1) 超强的抗霉防霉性能;

(2) 能发射一定波长的远红外线,具有蓄热保暖的功能;

(3)自动吸湿和放水,迅速调整合适的湿度;

(4)防静电和电磁辐射性能;

(5)吸附染色剂稳定,不易褪色。

竹炭纤维还能使服装外观华贵、手感柔软丰满、光泽柔和耐磨性能优良,是贴身纺织品的首选面料。

3.2竹炭纤维具有处理污水性能

竹炭纤维独特的结构可以用来处理生活污水和工业污水。大量研究表明,竹炭不仅对污水中的Cu、Hg、Mn、Ba等大多数有毒重金属离子具有良好的吸附固定作用,还可以使用竹炭纤维做沉淀剂的载体,吸收污水中大量的含砷、磷、氮盐类物质,同时竹炭纤维对水中有机物也具有一定的吸附作用。通过大量实验[6]表明:

(1)向富营养化湖水投加富含竹炭纤维的优势菌,能使水体浊度值明显降低,极短的时间内便可使水体变清,从而达到恢复水体美观功能的作用。

(2)在水体净化实验中,添加优势菌浓度达100 mg・L-1时,竹炭纤维对Mn2+、NH3-N的吸附非常明显,其水体浊度在第15天后降低到原来的50%。

(3)投加竹炭纤维能够使水中的溶解氧(DO)浓度明显提高,而DO的提高有利于水生生物的生长,促使生态系统恢复到正常的状态。

2009 年浙江省的张永祥发明了一种竹炭净水器[7], 其主要包括过滤容器和滤芯,滤芯一端安装在过滤容器内,另一端与过滤容器连接,其特征在于滤芯包括硅藻土―麦饭石陶瓷层、竹炭滤层,硅藻土―麦饭石陶瓷滤层包括壳体和空心槽,竹炭滤层安装在空心槽内,利用竹炭来净水,获得了国家专利。

3.3竹炭纤维具有净化有害气体性能

现代化的居住环境中少不了居室内各种建筑装饰材料,如人造板、木质复合地板、层压木质板家具和胶粘剂等会发出甲醛、卤代烃、芳香烃等有毒污染物,危害人体健康。随着大气污染的加剧和室内装璜、空调器使用的普及,室内空气的污染已不可忽视。对室内空气净化的方法主要有吸附法、催化法、负离子发、臭氧氧化法、非平衡等离子法等,而选择竹炭纤维作为最理想的吸附材料是关键。实验表明竹炭是化学吸附和物理吸附同时进行的,比一般的活性炭性能要好很多。

表1中的实验数据显示出竹炭纤维对室内有害气体的吸收具有一定的选择性,其吸附率是由公式A=[(W1-W0)/W0]×100 %计算得到, W1和W0分别指竹炭纤维吸附后与吸附前的质量。氨气是碱性气体,所以竹炭纤维对氨气吸收快且吸附率高。稳定时间是指竹炭纤维吸附气体后保持稳定的时间,无论哪种气体,竹炭纤维吸附后稳定的时间都较长,证明它是一种良好的气体净化吸附剂。

4竹炭纤维的工业发展

竹炭材料主要用于纺织工业,在全国已得到广泛的推广,主要包括[8]:

(1)纺丝过程中加入竹炭粉末制成竹炭纤维。主要指粘胶纺丝过程中加入纳米级竹炭粉乳浆,或涤纶、丙纶切片中加入制作好的竹炭母粒进行复合纺丝。该类纺织品在炼染加工中要避免接触较强的酸碱性,以防影响竹炭的功效。

(2)在涤纶、丙纶、晴纶、粘胶等纤维表面涂上超细竹炭添加剂。这是天然植物添加剂移植到化纤中的一项新技术,也是超细纳米技术和纺织工程相结合的产物。

(3)将竹炭粉末分散到水溶性、热塑性树脂中,再将组合后的树脂涂抹于机织物、针织物等基布之上。对于涂布量需求较小的被覆膜可以采用点状被覆,而对于涂布量需求较多的被覆膜可以采用全面被覆方式处理[9]。

随着竹炭改性涤纶纤维产品性能和加工技术的进一步完善,它必将具有更加广阔的前景和深远的意义。

参考文献:

[1]竹林.日本的竹炭纤维问世[J],世界竹藤通讯,2005,3(1):45~47.

[2]李旭明.竹炭纤维的开发与应用[J].针织工业,2007,35(10):21~22.

[3]王敏.竹炭生产的现状及应用[J].现代农业科技,2009,22(3):227~229.

[4]王先锋.竹炭改性涤纶纤维针织物性能研究[D].青岛大学,2008,6.

[5]王先锋,潘福奎,罗佳丽等.竹炭纤维的性能与应用[J].山东纺织科技,2006,15(6):54~56.

[6]周建斌.竹炭环境效应及作用机理的研究[D].南京林业大学,2005,6.

[7]朱江涛,黄正宏.竹炭的性能和应用研究进展[J].材料导报,2004,20(4):41~46.

[8]于海通.竹炭涤纶纤维织物的性能研究与开发[D].苏州大学,2009,5.

[9]刘焕荣,江泽慧,任海青等.竹炭吸附性能及其利用研究进展[J],竹子研究汇刊,2009,12(5):1~5.

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