透氣式球形活性炭化學(xué)防護服復(fù)合面料的制備與性能研究

呂 燕，蔣康宇，楊德利

（63600部隊，甘肅 酒泉 735000）

根據(jù)透濕機制和防護機制，可以把防護服分成4種類型，分別是選擇性透氣式、半透氣式、透氣式、隔絕式。透氣式化學(xué)防護服不但擁有良好的防護性能，還可以優(yōu)化穿著者的生理舒適性。針對多層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，兼具防偵視偽裝、散熱、阻燃、透氣、耐高溫、防毒等多樣功能，逐漸成為近期的研究熱點。

1 復(fù)合面料的研制

參考德國的SARATOGA防護服復(fù)合織物，設(shè)計透氣式的化學(xué)防護服面料結(jié)構(gòu)。相關(guān)復(fù)合面料主要以防油和吸附為基礎(chǔ)實施防毒，外層防水防油迷彩面料同時兼具防油功能，可以有效防止毒劑液滴朝內(nèi)部滲漏，使得毒劑液滴掉落表面不會鋪展開來，但會透過毒劑蒸汽。吸附層材料內(nèi)的球形活性炭能對外部滲透的毒劑蒸汽進行全面吸附，達到防毒的目的。實施防毒的過程中，該種復(fù)合面料還可以防止人體汗液和熱量向外散發(fā)，促使生理舒適性能和防護性能實現(xiàn)基礎(chǔ)平衡。

2 測試

在正式測試前，率先在100 ℃低溫狀態(tài)下，將樣品進行12 h的干燥處理，隨后放置于350 ℃的真空環(huán)境內(nèi)進行4 h的干燥處理。通過比表面積和孔隙分析儀，將高純氮氣當(dāng)成吸附介質(zhì)，于-196.15 ℃液氮溫度下，對規(guī)格不同的球形活性炭孔結(jié)構(gòu)和比表面積進行測試。

靜態(tài)苯平衡吸附量，通常是對球形活性炭在有機氣體方面的靜態(tài)吸附能力進行表征，測試方法為：在120 ℃的溫度狀態(tài)下烘干樣品，直到質(zhì)量恒定，稱取相應(yīng)的樣品放置在稱量瓶內(nèi)，并將稱量瓶放到干燥器內(nèi)，加入苯，以一定時間為間隔，稱取樣品質(zhì)量，確保吸附滿足質(zhì)量恒定條件。觀察表面形貌，在對不同類型的球形活性炭化學(xué)防護服吸附層面料實施噴金后，通過電子掃描顯微鏡，仔細觀察與經(jīng)編基布之間的黏合狀況以及球形活性炭表層形貌。

參考防毒服的相關(guān)規(guī)范，測試球形活性炭復(fù)合面料在液氣方面的防毒性能。將4滴5 μL的戊硫醚液滴倒入防油、防水的迷彩織物中，阻擋了液滴，發(fā)現(xiàn)戊硫醚液滴蒸汽朝吸附層滲透。從最開始滴落到吸附層，到另一面出現(xiàn)戊硫醚液滴的蒸汽指示，試紙變藍的該段時間便是材料液氣防毒時間[1]。

3 復(fù)合面料性能結(jié)果討論

3.1 比表面積以及孔結(jié)構(gòu)

通過分析發(fā)現(xiàn)，瀝青基球形活性炭SAC1和SAC2都展現(xiàn)出I型吸附等溫線。處于相對低壓條件下時，氮氣吸附量持續(xù)上升，普遍出現(xiàn)微孔吸附，證明了瀝青基球形活性炭主要是微孔形式。在相對壓力持續(xù)上升的情況下，吸附初步達到飽和，吸附等溫線相繼平緩下來，并展現(xiàn)為平臺模式。至于聚合物基球形活性炭SAC4以及SAC3，全部展現(xiàn)為代表性的IV型吸附等溫線。處于相對低壓下時，氮氣吸附量快速上漲，以微孔吸附為主。處于相對高壓條件下時，因為毛細凝聚，會產(chǎn)生吸附滯后環(huán)，證明聚合物基球形活性炭當(dāng)中分布著各種大孔。

結(jié)合相關(guān)定義分析，孔徑低于2 nm的便是微孔，而超出50 nm的便是大孔。如果孔徑范圍為2～50 nm，則可以稱為中孔。結(jié)合孔徑分布曲線能夠進一步發(fā)現(xiàn)，瀝青基球形活性炭SAC2以及SAC1孔徑的范圍主要為0.4～2.5 nm。其中，大部分都是低于2 nm的微孔，超出50 nm的區(qū)間內(nèi)僅誕生了極小峰，證明SAC4以及SAC3聚合物基球形活性炭中以微孔為主，且其中存在少數(shù)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范圍內(nèi)會呈現(xiàn)出眾多尖銳孔徑峰之外，還在20～200 nm這一區(qū)間誕生了大量的孔徑峰，疊加后獲得較強寬峰，證明SAC4以及SAC3之間存在較多的大孔和中孔。同時，因為存在較多的大孔和中孔，聚合物球形活性炭SAC4和SAC3的平均孔徑和總孔容遠遠超出瀝青球形活性炭SAC2以及SAC1，而瀝青球形活性炭對應(yīng)比表面積遠遠超出聚合物基。SAC4因為體積明顯超出其他的球形活性炭，所以屬于最低的比表面積。

3.2 表面形貌

分析發(fā)現(xiàn)，不同類型的球形活性炭樣品擁有較好的球形度和滾動性。經(jīng)過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，不管是國產(chǎn)或進口的瀝青球形活性炭SAC2和SAC1，都呈現(xiàn)為表面粗糙狀態(tài)，且存在大量的凹坑，而聚合物活性炭SAC4以及SAC3表面相對平滑。

3.3 吸附層材料黏結(jié)牢度

結(jié)合4種吸附層材料樣品實施機洗前后的變化，通過計算能夠獲得球形活性炭對不同材料的洗脫率。分析發(fā)現(xiàn)，4種吸附層材料對應(yīng)的球碳洗脫率全部小于1.10%。其中，洗脫率最低的是0.41%，證明球形活性炭和基布之間擁有良好的黏結(jié)牢度。

3.4 球形活性炭吸附能力

4種類型球形活性炭在全面復(fù)合后，對苯的吸附量開始下降。瀝青球形活性炭SAC2和SAC2苯吸附量明顯超出聚合物球形活性炭SAC4以及SAC3，主要原因是SAC2以及SAC1擁有相對較大的比表面積。此外，因為等同于吸附劑的孔徑與吸附質(zhì)分子彼此動力直徑大致相同，隨著孔徑的提升，會形成更好的吸附效果。苯分子相關(guān)動力學(xué)直徑是0.65 nm，發(fā)現(xiàn)SAC4以及SAC3內(nèi)大孔和中孔的存在會影響小分子苯的吸附作用，使得苯吸附量明顯小于瀝青球形活性炭。通過圖1發(fā)現(xiàn)，盡管球形活性炭復(fù)活后存在苯吸附量降低的現(xiàn)象，整體吸附容量保留率依然超出87%。借助對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著球形活性炭直徑擴大，苯吸附量降低率不斷減小。在相同上膠量的條件下，小直徑球形活性炭逐漸被膠點所覆蓋表面積相對較大，而直徑處于中等的球形活性炭被覆蓋面積位居第二。擁有最大直徑的球形活性炭被覆蓋面積最小，苯吸附量降低率也相繼減小[2]。

3.5 復(fù)合面料透氣性能

針對球形活性炭防護服相關(guān)吸附層的面密度以及透氣率實施準(zhǔn)確測試，最終測試結(jié)果如圖1所示。在上膠量和基布相同的條件下，球形活性炭防護服對應(yīng)的吸附層面密度會隨著活性炭直徑的擴大而增長，原因是單位面積碳量會隨著活性炭直徑的擴大而增加。隨著球形活性炭整體直徑增加，相關(guān)透氣率也進一步擴大。至于最高直徑的SAC4，由于活性炭之間的整體堆砌密度相對較低，出現(xiàn)了大量的空隙，吸附層材料在單位時間內(nèi)于單位面積中流通的空氣體積進一步擴大，所以與其他3種球形活性炭相比，整體透氣率得到了明顯提升。

3.6 復(fù)合面料防毒性能

實驗制備了類型不同的吸附層材料對應(yīng)氣-氣防毒時間和液-氣防毒時間，由于氣-氣防毒在時間測試過程中，相關(guān)染毒氣體是按照（0.010±0.001）L/（min·cm2）的速度經(jīng)過吸附層材料的，與液-氣防毒時間相比，可以看出氣-氣防毒時間的減少幅度十分明顯。而經(jīng)過編滌綸基布對應(yīng)液-氣防毒時間是20 s，至于氣-氣對應(yīng)防毒時間是0 s，不存在任何防毒作用，證明主要是球形活性炭會對吸附層材料產(chǎn)生防毒功能[3]。

分析可發(fā)現(xiàn)，SAC1類型球碳的氣-氣防毒時間為156 min，而液-氣防毒時間超出48 min；SAC2類型球碳的氣-氣防毒時間為157 min，而液-氣防毒時間超出48 min；SAC3類型球碳的氣-氣防毒時間為158 min，而液-氣防毒時間超出48 min；SAC4類型球碳的氣-氣防毒時間為200 min，而液-氣防毒時間超出48 min。4種不同類型的球形活性炭材料對應(yīng)的液-氣防毒時間均超出48 h，至于對應(yīng)的氣-氣防毒時間也超出140 min，遠遠超過國軍標(biāo)液-氣對應(yīng)的防毒時間，不低于6 h，滿足氣-氣防毒時間不低于30 min的基礎(chǔ)要求。防毒性能最好的便是SAC2瀝青活性炭，對應(yīng)的液氣防毒時間遠遠超出48 h，氣-氣防毒時間是140 min。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，聚合物球形活性炭對應(yīng)的吸附層材料相關(guān)氣-氣防毒時間明顯短于瀝青球形活性炭。因為聚合物球形活性炭的比表面積相對較低，存在大量的中大孔，會影響毒劑對丙硫醚分子吸附的模擬結(jié)果。該種現(xiàn)象的出現(xiàn)原因是球形活性炭的某些孔隙于復(fù)合中遇到黏合劑堵塞，最終使吸附層材料內(nèi)的球形活性炭比表面積形成了相應(yīng)的變化，隨之對應(yīng)的吸附性能也產(chǎn)生了某種變化。除此之外，于吸附中，吸附質(zhì)從液體、氣體最終到球形活性炭的內(nèi)部傳遞涵蓋表面吸附、內(nèi)部擴散和外部擴散3個部分構(gòu)成，隨著球形活性炭整體直徑的擴大，球形活性炭中吸附質(zhì)對應(yīng)的傳遞時間會隨著直徑的增長而不斷擴大，有效延長了材料的防毒時間。

4 研究結(jié)論

瀝青球形活性炭在苯吸附效果明顯超出聚合物球形活性炭。在實施復(fù)活后，4種不同類型的球形活性炭吸附容量均超出87%，而苯吸附量的縮減率會隨著直徑擴大而降低。如果上膠量和基布相同，球形活性炭防護服吸附層對應(yīng)的面密度會隨著活性炭直徑增加而擴大，對應(yīng)透氣率同樣會隨著直徑擴大而增長。對于基體相同的球形活性炭而言，隨著球碳直徑的增加，盡管對應(yīng)孔容和表面積相對較小，但氣-氣防毒時間進一步延長[4]。

綜上所述，針對透氣式球形活性炭化學(xué)防護服復(fù)合面料進行制備和性能研究，能夠采取有效措施促進防護服綜合性能的全面優(yōu)化，促進我國防護服制備領(lǐng)域的進一步發(fā)展。