CN1189231C - 活性碳纤维形式的过滤成分 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，它由以下步骤构成：以粘附碳前体纤维织物通过使用如针织、二维织物的缝纫或编织的制造方法制造预制坯成分；进行碳化和活化处理以直接得到所需活性碳纤维制成的成型片；测量预制坯的尺寸以考虑在碳化和活化处理中的收缩的步骤。该发明方法特别用于制造衣物防护部分，以在受攻击时提供防护，例如核、生物或化学攻击。

Description

活性碳纤维形式的过滤成分
发明领域
本发明涉及通过使用活性碳纤维制造具有吸收特性的成型过滤片的方法。此处使用的术语“成型过滤片”是指非平面形状的能自体支撑的过滤片。
本发明特别涉及制造衣物，例如手套、袜子、内衣、帽子等的成型片，供平民或军事人员抵御攻击，特别是核、生化或化学来源的攻击。
然而本发明的方法也能用于其他应用，例如制造特殊形状过滤片，如袖套，球形帽等。
发明背景
各种不同的材料已被选用于制造核、生物、化学(NBC)的衣物防护片。
因此，用厚橡胶制造防护衣物是已知的，典型的是用异丁基橡胶。由于这样的服装限制呼吸，在相对高的温度时，会特别不舒服和难以忍受。
也有建议把活性碳颗粒分散于泡沫材料，例如聚氨酯泡沫中。按此方法制得的服装很厚。它们的缺点是：由于泡沫的存在而难于清洗，且在火存在时作用很差。此外，如果它们为了应用的目的需要在成型基质上层压时，可能影响多孔性和呼吸能力。此外，在潮湿条件下，例如由于出汗，也削弱了活性碳的吸收能力。
也有人建议使用活性碳纤维。其机械特性使它们难以进行纺织品的加工，例如纺线、织造、针织、缝纫、编织等来制造衣物的成型片。可以想象活性碳纤维能在具有被制作的成型片的基质上聚集，但是这又产生了上面提到关于孔被堵塞和呼吸能力的减弱的缺点。
为了解决由于活性碳不适合纺织品的加工而带来的问题，文献FR 2599 761 A建议用一种包含具有所需机械特性的芯，例如一个金属芯的复合线与被缠绕或卷于其上的碳前体纤维。复合线在碳化和活化碳前体纤维之前可被用于制造布料。根据文献FR2599761A，产生的布料能被用于制造衣物防护片。此方法的缺点在于其过程复杂和制造复合线成本昂贵。另一个缺点在于金属加固作用的存在导致衣物片非常僵硬，这从军事应用的谨慎观点来看是不利的。
活性碳布料是已知的，并被用于过滤片应用。文献FR 2 741 363 A和WO 989/41678 A描述了这种织物的制造。然而，由这种织物制造成型的衣物需要用缝纫加工。遗憾地是，活性碳布料里的缝线导致了局部僵硬度的显著增加，引起了不舒适。此外，由于产生了非统一尺寸的孔，针脚给本应被阻挡的毒物提供了方便的通道。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种能制造成型过滤片的方法，特别是，但并非排它性地，用于NBC防护的衣物片，而且不具有上述缺点。
更加特别地，本发明寻求获得由活性碳纤维整体制成的成型过滤片，该规律片可洗涤，有热稳定性，能在潮湿的条件下保持良好的吸收特性，而其本身表现出良好的机械强度，其孔隙不能能使应被过滤的基质通过，
这些目的由一种方法实现，其包括组成步骤：
-用一种纺织品制造方法，用碳前体纤维的粘附织物制造过滤片的预制坯；
-进行碳化和活化处理以直接获得所需的由活性碳纤维制得的成型片；
-测量预制坯的尺寸以考虑在碳化和活化处理中的收缩。
本发明的出色之处在于过滤片可以在碳化和活化碳前体纤维预制坯后直接得到，之前碳前体纤维已使用一种纺织品制造方法成型获得与所需过滤片相应的形状。
用以使预制坯成型的纺织品制造方法，至少部分由针织、缝制一种二维织物或编织构成。术语“二维织物”在此特别用于指一种机织织物或一种多方向的网。
预制坯特别用一种纤维素纤维织物制成，例如使用人造纤维，优选粘附的人造纤维织物，这样可以得到高纯度的碳纤维和较大的比表面积，如大于800每克平方米(m2/g)，或实际大于1200m2/g。
在本方法的第一种实施方案中，碳化和活化处理包括：
-碳化步骤包括在惰性气体环境下，温度范围高至250-500℃下热处理；
-在750-950℃的温度范围下活化碳化过的预制坯的步骤。
活化在氧化环境下进行，例如水蒸气和/或二氧化碳。
在本方法的第二种实施方案中，碳化和活化顺序包括：
-用含有至少一种能促进纤维素分解的成分的组合物浸泡预制坯的步骤；
-在350-500℃的温度范围下的热处理，以直接得到活性碳纤维的过滤片。
本发明还提供了一种由此方法得到的该类型衣物，即一种成型衣物片的其特征在于它是作为单片由活性碳纤维构成的粘附纤维制造的。
这样衣物的出色在于其本身表现出良好的能被使用的强度，然而却是由活性碳纤维制得的。
此外，由于本发明的衣物是由碳构成的，所以它们在有火存在时表现出良好的特性和热稳定性。由于碳纤维的导电性，可以去除静电。它们也很容易被清洗。相比于活性碳颗粒，活性碳纤维制得的过滤片由于潮湿只有有限的性能损失。活性碳纤维中的孔绝大部分是微孔，它们不会由于毛细管作用充满水，而变得不适用。此外，因为孔在尺寸上比活性碳颗粒小得多，因此对于给定重量的碳，活性碳纤维对于气流呈现出较大的外表面积。对于特定性能，相关的过滤片的厚度能大大被减少。
附图说明
在阅读以下以非限定性指示和附图说明后将会更好的理解本发明。其中
图1显示了构成发明的一种实施方法的连续步骤；
图2显示了一种图1所示的实施方法的变体的连续步骤；
图3是一幅照片，显示了一个用粘线织成的手套的预制坯和给预制坯进行碳化和活化处理后得到的活性碳纤维手套。
具体实施方式
在下面的描述中，完成了制造服装防护片的参照。如上所述，本发明并不局限于这种应用，其更加一般地覆盖制造成型过滤片。
图1所示的方法的第一个步骤10包括用纺织品制造方法制造过滤片的预制坯。
预制坯以线或纱形式的碳前体纤维制得，可以使用各种不同类型的前体，如过氧化聚丙烯晴(PAN)、沥青、酚类化合物。优选地，使用的是纤维素前体，尤其是粘胶纤维，如人造纤维。
预制坯的形状应对应于要制造的过滤片，不过要考虑在碳化和活化过程中的收缩。
通过使用碳前体纤维的线或纱，特别是针织或编织的，可以直接进行成型。
也可以从碳前体纤维线或纱制造二维织物开始，例如一种机织织物或一种多方向的网，可以裁剪预制坯的形状并使用同样的线进行缝纫来成型。通过叠加多数单方向网形成多方向网，而单方向的网是由平行延伸于给定方向的线或纱制得的。叠加单方向的网以在不同的方向延伸，它们彼此任意结合，例如通过缝纫或轻的缝针。
本方法的第二个步骤20是碳化预制坯。碳化过程包括在惰性气体环境下温度范围高至250-500℃的热处理阶段，例如温度等于约400℃，这个阶段在慢慢增温下进行，典型的是在增温率0.01-0.5℃/分钟之间，经过数天至数周的相对长的时间。
热处理的最后一个阶段在一个较高的温度下最后进行，例如温度高至600-900℃，同样也在惰性气体环境下，持续时间较短，如数分钟。
在甚至更高的温度下，如温度范围1000-1300℃并减压，如压力范围5-60Pa的热处理可以选择性进行相对较短的时间，约1分钟，以促进由气态流出物导致的不纯物的减少。
此方法的第三步骤30是活化获得的碳纤维预制坯。通过将碳纤维预制坯在氧化环境下进行热处理完成活化，例如水蒸气，优选二氧化碳或二氧化碳与水蒸气的混合物。参见上面引用的文献FR 2 741 363 A。热处理温度范围为750-950℃，优选850-950℃，根据所需的比表面积，优选持续时间为50-300min。因此获得的活性碳纤维片的比表面积有可能大于800m2/g，或甚至大于1200m2/g。
根据过滤片的目的用途，可以选择性进行后处理的最后步骤40。根据实施例的方法，一种后处理是形成精细的沉积，以固定一些碳颗粒防止它们在过滤片的使用中脱离。这种沉积能通过喷洒弹性体或乳胶来实现。
另一种后处理是给过滤片加上衬里，其作用不是给过滤片增加强度而是避免使用者的皮肤与过滤片直接接触。衬里可以被充气以避免影响多孔性和渗透性，同时需要通过一些点与过滤片连接，例如通过胶粘剂。
图2显示适于本方法与纤维素前体纤维预制胚使用的变化的实施方式。该变化方式不同于图1所示的方法之处在于步骤20和30的碳化和活化被步骤20’的用一种含有一种能促进纤维素脱水的成分的组合物浸泡预制坯和热处理步骤30’的直接获得由活性碳纤维制得的过滤片的步骤所取代。
用含有至少一种能促进纤维素脱水的成分的组合物来完成浸泡，例如选自磷酸，氯化锌，硫酸钾，氢氧化钾，磷酸氢二铵和氯化铵的无机成分。优选使用含有磷酸的组合物进行浸泡以使重量为干预制坯的10-22％的酸可以固定在预制坯上。热处理包括以1-15℃/min的速率升温，然后优选在惰性气体或含有反应活化剂如二氧化碳或水蒸气的环境下，在350-500℃的温度范围停顿。优选产生的过滤片接下来被清洗。这种方法在上面提到的国际专利申请WO98/41678中描述。由此直接制得由活性碳纤维构成的过滤片。
                          实施例1
图3照片中左侧所示的手套预制坯由330分特(dtex)人造线用长袜针织成，手套的边沿用167分特人造线制成。
将预制坯置于窑中的框架上热处理约2周。温度被非常缓慢的升高，低于0.1℃/min，直到到达高至约400℃的水平。
产生的预制坯接着在温度高至700℃下热处理一段时间约15min，以加固碳结构。
碳化的预制坯在850℃的温度、二氧化碳(CO2)环境下在旋转的高压锅中被活化1小时(h)。
产生的手套像图3照片中右侧所示的手套。它们表现如下的平均特性：
-比表面积约等于1500m2/g；
-牵引中的断裂强度等于约15分牛顿每厘米(daN/cm)；
-断裂伸长率：约50％；
-碳含量：约95％；
-活性碳纤维(单丝)的直径：约17微米(m)。
由碳化和活化引起的收缩量平均为32％。这种收缩应考虑到预制坯的制造中，以增加所需手套的预制坯的尺寸。
应当遵循的是，依据使用的纺织品的制造方法和过滤片的形状，收缩不必在整个过滤片上和各个方向上是一致的。预制坯的形状最好由测试决定，这种测试可以设计出仿真模型。
为了避免与皮肤直接接触，活性碳纤维手套可以被加上里层手套，如棉制的。手套和里层手套通过一些胶粘点来连接。
产生的集合体可以直接插入外层手套，如皮革手套。在操作中，只有由活性碳纤维手套和任何里层手套形成的预集合体是一次性的。不用放出毒性排出物就很容易被烧成灰。
                         实施例2
将如实施例1中的手套预制坯浸泡在体积浓度20％的磷酸H3PO4水溶液中。浸泡过的预制坯在70-90℃温度之间被烘烤以去除水分，相对于干预制坯的重量，固定在预制坯上的磷酸量大约为16重量％。
然后将预制坯连续插入热处理炉，在热处理炉内被例如玻璃纤维制得的传送带上支撑住运送。热处理包括以约5℃/min的速率升温，接着是约200℃的恒定温度。热处理在惰性气体(氮气)环境下持续约90分钟。
将产生的手套在温度90℃的去矿物质水中清洗。
这种方法制得的活性碳纤维手套表现了如下特性：
-比表面积约等于800m2/g；
-牵引断裂强度等于约12分牛顿每厘米(daN/cm)；
-断裂伸长率约50％；
-碳含量约80％。
测量到的平均收缩量是28％。
测试
防芥子气的效果测试通过使用实施例1得到的手套进行。
气相的测试用芥子气在37℃进行。
经过超过8小时的测试没观察到从手套构成的防护屏障通过。
用芥子气在20℃的环境下进行液相测试。液滴形式的芥子气与手套接触，所用的沾染量为手套的表面上10g/m2。通过以0.2×10-2米每秒(m/s)的速度从手套内部抽取空气流测定通过手套的芥子气的数量。24小时后，测到的穿透数量为0.2微克每平方米(μg/m2)到1.02微克每平方米之间。
这些测试表明了由于活性碳纤维的吸收特性，可以得到显著的有效防护。

Claims (12)

1.一种制造包含活性碳纤维的成型过滤片的方法，其特征在于包括步骤：
-用一种纺织品制造方法，用碳前体纤维的粘附织物制造过滤片的预制坯；
-进行碳化和活化处理以直接获得由活性碳纤维制得的所需成型片；
-测量预制坯的尺寸以考虑在碳化和活化处理中的收缩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的预制坯至少部分由碳前体纤维制成的线针织制成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的预制坯至少部分由碳前体纤维制成的二维织物缝织而成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的预制坯至少部分由碳前体纤维制成的线编织制成。
5.根据权利要求1至4的任何一项所述的方法，其特征在于所述的预制坯由一种粘附的纤维素纤维织物制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的预制坯由一种粘附的人造纤维织物制成。
7.根据权利要求1至6任何一项所述的方法，其特征在于碳化和活化处理包括：
-碳化步骤包括在惰性气体环境下，温度范围高至250
-500℃的热处理；和
-在750-950℃的温度范围下进行活化碳化过的预制坯步骤。
8.根据权利要求5和6任何一项所述的方法，其特征在于所述的碳化和活化处理包括：
-用含有至少一种能促进纤维素分解的成分的组合物浸泡预制坯的步骤；和
-在350-500℃的温度范围下的热处理，以直接得到活性碳纤维的过滤片。
9.一种包含活化碳纤维的成型衣物防护片，其特征在于它由单一片活性碳纤维构成的粘附织物制成。
10.根据权利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纤维组成的线针织构成。
11.根据权利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纤维缝织成型的二维织物构成。
12.根据权利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纤维组成的线编织构成。
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