離子交換纖維技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾垹顩r分析

葉亞格　韓佩

【摘 要】中國現(xiàn)已經(jīng)成為了世界紡織印染業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的最大的國家。隨著印染業(yè)規(guī)模的增大，廢水的排放也隨之增大。隨之而來的環(huán)境問題擺在我們的面前。印染廢水中主要包含有機污染物、堿、無機鹽等，其屬于難處理的工業(yè)廢水之一。除此之外，隨著全球工業(yè)化的不斷深入和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，也有越來越多的重金屬通過工業(yè)“三廢”等途徑進入環(huán)境，直接威脅人們的身體健康與生命安全，造成水體、土壤的嚴重污染。而隨著合成纖維的發(fā)展，對選定的纖維進行特殊功能基的處理以實現(xiàn)對金屬離子的提取、分離、分析等方面的研究成為分離科學領(lǐng)域的研究熱點。本文通過對離子交換纖維專利文獻的收集、統(tǒng)計和梳理，分析了各類方法的申請趨勢、發(fā)展脈絡、優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】纖維；接枝；輻照；離子交換

0 前言

離子交換纖維（IEF）是一種在離子交換樹脂和活性炭之后發(fā)展起來的一種離子交換材料。它是一種纖維狀離子交換材料，本身含有固定離子以及和固定離子符號相反的活動離子，因為其表現(xiàn)出來的吸附性能，所以也被稱為化學吸附纖維。

IEF按其功能基團進行分類，可以分為陰離子交換纖維、陽離子交換纖維和兩性離子交換纖維；具體地，陽離子交換纖維又可以分為強酸離子交換纖維和弱酸離子交換纖維；陰離子交換纖維又可以分為強堿型和弱堿型。按照基體材料進行分類，則可以包括聚乙烯醇纖維、聚苯乙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維等類型。功能基團和纖維基體還需要具備良好的化學以及熱穩(wěn)定性、達到一定的機械強度和離子交換容量與速度才能成為性能良好的IEF。

由于離子纖維具有吸附量高、容易再生、吸附速率快的性能，其使用的方式也具有多樣性的特點，如纖維布、織造布、無紡布、纖維氈、纖維球等，使得離子交換纖維能涉及廣泛的應用領(lǐng)域。其包括稀有金屬的回收利用、生物分離、食品的脫色與去味、農(nóng)藥殘留物的吸附、有害氣體的吸附、重金屬離子的分離、污水處理以及附載催化劑等。

制備離子交換纖維的方法也具有多樣性，包括單體共聚法、聚合物共混法、輻射接枝法、化學接枝法、化學改性法等。每一種方法都具有各自的特點，但化學改性法和輻射接枝法是近些年來使用較多方法，其發(fā)展與社會狀況、市場情形有著千絲萬縷的聯(lián)系。

1 國內(nèi)功能纖維的發(fā)展狀況

功能纖維因其具備特定的功能而廣受歡迎。目前我國已成功生產(chǎn)了具有抗靜電、阻燃、抗菌、抗紫外線、遠紅外、防輻射、防污、超吸水、離子交換纖維等。 其中，典型的功能性纖維包括：吸水性纖維，耐高溫阻燃纖維，抗靜電纖維，光敏、熱敏纖維。吸水性纖維可以滿足生活上的各種用途，提高生活質(zhì)量，例如用于內(nèi)衣、運動套裝的吸汗快干滌綸長絲，這種織物手感干爽，穿著清涼舒適。耐高溫阻燃纖維則可以用于消防服、工業(yè)用阻燃防護服、汽車內(nèi)裝飾物以及家用防火材料等方面，滿足人們對特殊行業(yè)和火災等的安全要求?？轨o電纖維也源自對安全的考慮，在冬天由于靜電引起的災難不在少數(shù)?？轨o電纖維可以通過后整理、纖維共混、復合紡絲、共聚或化學接枝的方式制備得到。其中，后整理得到的抗靜電纖維其耐洗滌和耐久性差，只能得到暫時性抗靜電，而其它方式則可以制備得到永久抗靜電性的纖維。如日本的帝人公司的聚對苯二甲酸乙二酯與聚氧乙烯系聚合纖維。光敏纖維是指纖維在光照的條件下，會發(fā)生顏色、力學性能等可逆變化的纖維。熱敏纖維是指在環(huán)境溫度改變的時候，其某些性能會發(fā)生可逆變化的纖維。這種功能性纖維可以對環(huán)境做出應急變化，從而給人們帶來指示作用，如其可以用在高空、海洋、極地和一些特殊場合。

2 離子交換纖維申請量分析

2.1 全球和國內(nèi)專利申請分布

圖1為中國的專利申請量與全球的對比分析，明顯看出我國離子交換纖維的專利申請呈逐年上升趨勢，進入21世界后在跌宕中穩(wěn)步前進。如前面所述，離子交換纖維涉及的領(lǐng)域較廣，在分離環(huán)境科學、醫(yī)療衛(wèi)生中都有相關(guān)應用，因而其技術(shù)的發(fā)展演變都與這些有著不可分割的關(guān)系。正如，下圖2004年中我國和全球的離子交換纖維申請量都有一個突然上升，這可能與2003年初，SARS疫情爆發(fā)有關(guān)，用離子交換纖維對生物活性物質(zhì)，尤其是對藥物進行提取、分離、純化等，一直較受關(guān)注。例如：用毛發(fā)酸水解制造胱氨酸過程中需要脫色，如用活性炭脫色，用量多、耗時長，且需加熱，脫色不徹底；使用離子交換樹脂法存在污染物易堵塞樹脂孔隙、使用壽命短、不容易再生等不足；而使用離子交換纖維則能有效避免上述不足。據(jù)報道，中藥中的黃酮、生物鹼等組分都可用離子交換纖維進行分離和濃縮。再如，上圖2011年中離子交換纖維申請量再次在我國和全球中都有一個猛升，而正是2011年左右開始，美國大使館持續(xù)播報PM2.5的行為引發(fā)了社會的關(guān)注，從此“霧霾”一詞為我們所認知，于是全球開始了針對霧霾的跟蹤報道并提出各種技術(shù)手段期待解決這樣一個嚴重威脅人體健康的一個環(huán)境問題。在如此背景下，促進了人們對離子交換纖維技術(shù)專利的進一步研究，該研究的必要性和意義也是存在的。

2.2 全球主要國家專利申請情況

進一步，從主要國家專利申請量分布情況和申請量占比看（如圖2、圖3），主要申請國包括日本、中國、韓國、俄羅斯等國家，這與相關(guān)文獻的記載是保持一致的，說明統(tǒng)計出的結(jié)果具有較高的準確性。作為纖維技術(shù)的發(fā)達國家日本，其在離子交換纖維領(lǐng)域仍然占有絕對優(yōu)勢，其專利申請量位于首位，占全球?qū)＠?/p>

申請量的40%左右，其次是中國，占全球?qū)＠暾埩康?7%左右，再次是俄羅斯、韓國，均是傳統(tǒng)的纖維產(chǎn)業(yè)國。

一直以來，離子交換纖維都被國際科學界、產(chǎn)業(yè)界尊稱為21世紀功能材料?？梢哉f離子交換纖維的分離技術(shù)水平的高低，對未來核廢水和工業(yè)污水處理、廢氣毒氣處理、空氣與飲用水凈化、食品藥品脫色、貴金屬與有機溶劑回收等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都起著關(guān)鍵性作用。

據(jù)了解，目前我國聯(lián)合組成的離子交換纖維產(chǎn)業(yè)化項目課題組已經(jīng)掌握了這一項目的核心技術(shù)，并獲得兩項中國發(fā)明專利。其中已建成的20噸/年離子交換纖維工業(yè)化生產(chǎn)裝署，已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的能力。這兩項發(fā)明目前也已達到了國際的先進水平，并在其應用研究方面填補國內(nèi)外空白。這也是我國成為繼俄羅斯、日本之后，國際上少數(shù)掌握離子交換纖維工業(yè)化生產(chǎn)核心技術(shù)的一個突破，是目前國際上僅有的幾個實現(xiàn)離子交換纖維產(chǎn)業(yè)化的國家之一。

3 主要申請人專利申請分布情況

圖4中呈現(xiàn)的在中國申請的主要申請人的申請量相對值，以前八位主要申請人為準，可以看出，專利申請量差別不是特別大，除了排在第一位的北京服裝學院外，其他申請人的申請量相對一致。排在其后的有淮海工業(yè)大學、東華大學、鄭州大學和中山大學。該數(shù)據(jù)也和相關(guān)文獻中描述得一致，同樣驗證了本統(tǒng)計的準確性的可信度。從圖中我們還得知，兩家日本公司旭硝子株式會社和帝人株式會社，以及一家美國3M創(chuàng)新有限公司在我國的申請量同樣占有相當?shù)姆蓊~，這從側(cè)面反映出，專利意識一直很強的日本和美國在中國的專利戰(zhàn)略布局可見一斑，雖然中國申請總量也較多，但是申請集中在高校，中國企業(yè)或個人專利申請較少，其專利布局意識比較薄弱，大多還是以企業(yè)為重點。而日本在成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上，注重前期專利技術(shù)的全球分布，而我國也應當在離子交換纖維領(lǐng)域中著手在其他國家進行專利分布，可以避開日本的先進技術(shù)開辟新路，提升自身的離子交換纖維的改進技術(shù)以便走出國門，在其他國家進行先進技術(shù)專利分布。

5 總結(jié)

從以上分析可以得出：離子交換纖維的發(fā)展與當時社會出現(xiàn)的環(huán)境、安全、經(jīng)濟問題有著密不可分的聯(lián)系。以聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維為基材的離子交換纖維是目前的發(fā)展趨勢，因為它們具有原料豐富、價格低廉、耐酸堿腐蝕性能強、以及易于加工的顯著優(yōu)勢。聚丙烯纖維易于通過輻射加工，而聚丙烯腈纖維中的腈基易于發(fā)生化學改性，上述特性為離子交換纖維的制備提供了方便。隨著石油資源的日益枯竭和綠色化學的興起，高分子材料領(lǐng)域的綠色觀念已經(jīng)形成，故需要全面考慮：一方面，繼續(xù)加強以聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維為基體的離子交換纖維的開發(fā)研究；同時，需要加強以可再生天然纖維為基體制備離子交換纖維理論的探索與實踐。另外，在離子交換纖維應用與發(fā)方面，國內(nèi)還主要集中于傳統(tǒng)的環(huán)境保護領(lǐng)域，而且投入實際工業(yè)應用的報道不多，但國外已經(jīng)將離子交換纖維的應用研究延伸到高附加值的藥物緩釋領(lǐng)域。因此，國內(nèi)不僅在產(chǎn)業(yè)化研究方面尚待深入，爭取產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟與社會效益；而且，需要擴展其應用研究范圍，為培養(yǎng)新的經(jīng)濟增長點創(chuàng)造條件。

[責任編輯：張濤]