摘要：活性炭、活性炭纖維由于其大比表面積和微孔結(jié)構(gòu)、高吸附能力和高表面活性而成為獨(dú)特的吸附材料。活性炭纖維防護(hù)口罩能有效防止5μm以下的飄塵和由呼吸道傳播的多種病菌，起到了防護(hù)作用，這是普通口罩不能相比的。
1 前言
活性炭（AC）是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和大的內(nèi)部比表面積的材料。活性炭由于其大比表面積、微孔結(jié)構(gòu)、高吸附能力和高表面活性而成為獨(dú)特的多功能吸附劑。
活性炭纖維（ACF）是20世紀(jì)70年代開發(fā)出的新型功能性吸附材料，它采用有機(jī)纖維為原料，經(jīng)碳化活化后制成。ACF的孔結(jié)構(gòu)分布基本上呈單分散型，主要由小于0.2nm的微孔組成，微孔含量多達(dá)90%以上。根據(jù)原料或活化條件的不同還有少量中孔，但是沒有大孔，微孔由纖細(xì)的毛細(xì)管壁構(gòu)成，大量的微孔使ACF的表面積增加，故吸附能力也隨之加強(qiáng)。纖維直徑小，吸附質(zhì)擴(kuò)散路徑短，使其對吸附質(zhì)顯現(xiàn)出良好的動(dòng)力學(xué)特征，吸附、脫附速率相當(dāng)快。
為開發(fā)出能夠達(dá)到較高防護(hù)能力的口罩，需要選擇能夠?qū)ξ⒘Ｓ羞^濾效率的過濾介質(zhì)。防毒面具、口罩和防護(hù)服是活性炭較早的應(yīng)用形式。活性炭纖維作為口罩的過濾系統(tǒng)能有效阻擋粒徑較小的有害氣體或微粒侵入人體，從而達(dá)到防塵防毒、防化和防菌的綜合效果。
2 活性炭及活性炭纖維的發(fā)展
2.1 活性炭的發(fā)展
18世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了木炭具有吸附能力，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致木炭于1794年在英國精制糖廠獲得工業(yè)應(yīng)用。后來人們又在各種原料制成的活性炭中，發(fā)現(xiàn)椰子殼活性炭具有吸附性能，并且它的質(zhì)地致密堅(jiān)固，這種材料一戰(zhàn)中被用于防毒面具，它是當(dāng)時(shí)能得到的吸附劑。1900年，奧斯特雷杰科發(fā)明了氯化法生產(chǎn)活性炭的工藝，開辟了活性炭生產(chǎn)的現(xiàn)代工藝新途徑，隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，活性炭的研究和應(yīng)用得到了很大的擴(kuò)展。現(xiàn)在，活性炭作為一種孔隙發(fā)達(dá)的材料，已被廣泛應(yīng)用于分離、精制、催化劑、試劑回收及防護(hù)裝備中，特別是在環(huán)境治理方面得到了廣泛應(yīng)用。
2.2 活性炭纖維的發(fā)展
1962年，美國專利涉及到活性炭纖維技術(shù)，Abbott以粘膠纖維為原料，進(jìn)行炭化和活化等處理后成功地制成了活性炭纖維；同年，日本進(jìn)藤以特種聚丙烯酯為原料，制得PAN基活性炭纖維；1972年，Arons和Macnair以酚醛為原料制得活性炭纖維；1975年。日本東洋紡織公司制成高性能粘膠基活性炭纖維和再生活性炭纖維；1983年，日本炭素公司和尤尼吉卡公司開發(fā)生產(chǎn)瀝青基活性炭纖維；1977年，商品粘膠（纖維素）基活性炭纖維問世，其后聚丙烯腈（PAN）基、酚醛基、瀝青基相繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
2.3 活性炭纖維的優(yōu)點(diǎn)
活性炭纖維與粒狀活性炭相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)纖維直徑-般為10~13μm，與吸附質(zhì)接觸面積大且可以均勻接觸，增加了吸附幾率，提高了吸附材料的利用率。
(2)外表面積大，吸附、脫附速度快，約為活性炭的10~100倍；吸附容量大，吸附效率高，約是活性炭的1.5~10倍。
(3)孔徑分布窄，且主要以微孔為主，孔徑小和力場重疊的特點(diǎn)對低濃度物質(zhì)有較好的分離作用，并且可以通過各種手段來調(diào)節(jié)孔徑形成分子篩從而達(dá)到分離目的。
(4)吸附層薄，可以使設(shè)備更加小型化。
(5)強(qiáng)度大，不易粉化，二次污染小，同時(shí)純度高，雜質(zhì)少。
(6)體密度小，蓄熱少，操作安全。
(7)良好的成型性，可以做成各種形態(tài)的吸附劑。
3 活性炭、活性炭纖維在防護(hù)口罩中的應(yīng)用
3.1 防護(hù)口罩現(xiàn)狀
由于我國剛剛頒布防護(hù)口罩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以目前市場上口罩的質(zhì)量、性能良莠不齊。現(xiàn)在醫(yī)院使用的大部分口罩只能防塵，對醫(yī)務(wù)工作人員起不到防護(hù)作用，更談不上阻擋飛沫和空氣中傳播的病毒。
3.2 防護(hù)口罩的分類
(1)普通脫脂紗布口罩
普通脫脂紗布口罩是經(jīng)緯紗線交織而成，單層孔徑很大，須靠多層疊加來增加過濾效率，但是紗布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其只能夠阻止介質(zhì)顆粒直徑較大的粉塵及病菌，要阻隔捕集微細(xì)病毒顆粒，是難以達(dá)到的。
(2)非織造布過濾材料口罩
隨著科技的發(fā)展，非織造布的出現(xiàn)為防護(hù)用品提供了更為可靠的選擇。通過對各種材料的組合方式進(jìn)行反復(fù)細(xì)致的研究、試驗(yàn)和摸索，發(fā)現(xiàn)在紡織材料中由于機(jī)織和針織織物都是二維交織而成的結(jié)構(gòu)，使得它們難以對微塵粒子進(jìn)行有效屏蔽和過濾，因此選用了呈三維立體且具微孔結(jié)構(gòu)的非織造布作為高過濾效率的過濾介質(zhì)。非織造布有很多類型，其中針刺非織造布、浸漬法化學(xué)粘合非織造布、濕法非織造布、水刺法非織造布、紡粘法非織造布和熔噴法非織造布等都對顆粒有較好的過濾效果，并且各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：熔噴法非織造布能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過濾效率指標(biāo)。
(3)超微細(xì)纖維濾布材料口罩
超微細(xì)纖維熔噴材料是一種過濾材料，具有過濾效率高、空氣阻力小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并且與其他材料進(jìn)行復(fù)合后使用效果更好。其特點(diǎn)是：纖維直徑為300nm，通過駐極，可以提高過濾效率，同時(shí)不影響氣流阻力；纖維中超細(xì)纖維隨機(jī)排列，形成大量微小孔隙，纖維重疊，并且排列成網(wǎng)可以做到透氣不透水，耐酸堿，沒有毒，防潮。
(4)納米材料口罩
納米材料口罩是中國科學(xué)院化學(xué)研究所所屬中科納米科技中心專家采用納米材料制成，其織物表面具有很強(qiáng)的疏水性能，油性、水溶性等物質(zhì)均不直接黏附在材料上，從而可以有效地阻擋飛沫進(jìn)入口罩內(nèi)層，而且納米材料所含的銀抗菌離子可以有效地殺死病菌。
3.3 活性炭在防護(hù)口罩中的應(yīng)用
防毒面具、口罩和防護(hù)服是活性炭應(yīng)用較早的形式。根據(jù)不同的環(huán)境狀況，有的活性炭還需要經(jīng)過化學(xué)藥品的處理，添加不同的催化劑，才能對有害氣體進(jìn)行有選擇的吸附。
活性炭口罩有平面活性炭口罩、3M杯型活性炭口罩等。其中平面活性炭口罩結(jié)構(gòu)由兩層無紡布、內(nèi)夾一層超細(xì)熔噴濾紙和一層活性炭布組成，可有效阻隔空氣中的微粒飄塵，吸附各種工業(yè)廢氣如苯、甲醛、氨氣等，減低有害氣體對人體呼吸系統(tǒng)造成的傷害。3M杯型活性炭口罩吸附性能更優(yōu)越，防塵效率更高，特別適用于在含有機(jī)氣體、酸揮發(fā)物、農(nóng)藥、二氧化硫等刺激性的場合使用，防毒除臭效果顯著。
3.4 活性炭纖維在防護(hù)口罩中的應(yīng)用
活性炭纖維防護(hù)口罩由活性炭纖維內(nèi)芯、無紡布內(nèi)罩、白色純棉布外罪和鼻夾組成。這種口罩的性能和適用范圍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通紗布口罩(見表1)。由于口罩采用活性炭纖維材料做濾芯，加上有一定防塵作用的無紡布內(nèi)罩和純棉布外罩，組成一個(gè)3級過濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效阻擋直徑比較小的有害氣體或微粒侵入人體，從而達(dá)到防塵防毒、防化和防菌的綜合效果。
表1 活性炭纖維防護(hù)口罩與普通紗布口罩的性能對比
| 口罩 | 層數(shù) | 過濾效率% | 透過率% | 碘吸附量mg/g | 苯吸附率% | 備注 |
| 活性炭纖維 | - | 82.6-94.7 | ＜18 | ≥850 | ≥30 | 引自國家勞動(dòng)保護(hù)用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，國家煤炭科學(xué)研究總院定期檢測報(bào)告 |
| 普通紗布口罩 | 8 | 5.4 | 94.6 | - | - | 引自中國個(gè)體防護(hù)裝備，2003（3）；15-16 |
| 12 | 5.6 | 94.4 | ||||
| 16 | 10.4 | 89.6 |
活性碳纖維防護(hù)口罩的主要特點(diǎn)是：具有防毒、濾菌、除臭阻塵等功效；特別適用于含有有機(jī)氣體、酸性揮發(fā)物、農(nóng)藥、SO2、Cl2，等刺激性氣體的場合，防毒、除臭效果顯著。主要品種包括：4層、6層、8層和9層活性碳纖維紗布口罩，活性碳纖維弧形口罩，活性碳纖維杯形口罩，3M活性碳纖維口罩等。
3.5 活性炭纖維在醫(yī)療衛(wèi)生方面的作用
活性炭纖維在醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用方面有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(1)對生物和細(xì)菌有良好的吸附能力，對細(xì)菌的抑菌率可達(dá)96%-99%。對低濃度的吸附質(zhì)有很高的吸附量。在醫(yī)院，尤其在病房中，空氣凈化器可以用負(fù)壓操作來實(shí)施，將活性炭纖維加工成活性炭纖維筒式濾芯來吸附。空氣凈化器設(shè)計(jì)成4L/min，即能滿足醫(yī)院的要求。
(2)通常病毒的大小在幾十納米左右，普通紗布口罩在使用幾個(gè)小時(shí)后就需要更換。如果將活性炭纖維制成活性炭纖維口罩，除了延長使用時(shí)間，還具有防毒、濾菌功能。在含有大量有機(jī)氣體、農(nóng)藥、酸性揮發(fā)物的化工物質(zhì)場所，活性炭纖維防護(hù)口罩能起到普通口罩不能起的作用，有效防止5μm以下的飄塵和由呼吸道傳播的多種病菌。
(3)活性炭纖維吸附能力強(qiáng)，吸附量大，容易吸附脫附，并且吸附脫附速率快，容易再生。
4 結(jié)束語
隨著活性炭纖維制備工藝的發(fā)展，我們可以制備出具有高吸附量、高抑菌率、小直徑、應(yīng)用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)的醫(yī)療應(yīng)用口罩。活性炭纖維將會(huì)越來越被人們認(rèn)識和認(rèn)可，也必將會(huì)迎來廣闊的市場前景。