專利名稱：活性碳纖維形式的過(guò)濾成分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)使用活性碳纖維制造具有吸收特性的成型過(guò)濾片的方法。此處使用的術(shù)語(yǔ)“成型過(guò)濾片”是指非平面形狀的能自體支撐的過(guò)濾片。
本發(fā)明特別涉及制造衣物，例如手套、襪子、內(nèi)衣、帽子等的成型片，供平民或軍事人員抵御攻擊，特別是核、生化或化學(xué)來(lái)源的攻擊。
然而本發(fā)明的方法也能用于其他應(yīng)用，例如制造特殊形狀過(guò)濾片，如袖套，球形帽等。
背景技術(shù)：
各種不同的材料已被選用于制造核、生物、化學(xué)(NBC)的衣物防護(hù)片。
因此，用厚橡膠制造防護(hù)衣物是已知的，典型的是用異丁基橡膠。由于這樣的服裝限制呼吸，在相對(duì)高的溫度時(shí)，會(huì)特別不舒服和難以忍受。
也有建議把活性碳顆粒分散于泡沫材料，例如聚氨酯泡沫中。按此方法制得的服裝很厚。它們的缺點(diǎn)是由于泡沫的存在而難于清洗，且在火存在時(shí)作用很差。此外，如果它們?yōu)榱藨?yīng)用的目的需要在成型基質(zhì)上層壓時(shí)，可能影響多孔性和呼吸能力。此外，在潮濕條件下，例如由于出汗，也削弱了活性碳的吸收能力。
也有人建議使用活性碳纖維。其機(jī)械特性使它們難以進(jìn)行紡織品的加工，例如紡線、織造、針織、縫紉、編織等來(lái)制造衣物的成型片?？梢韵胂蠡钚蕴祭w維能在具有被制作的成型片的基質(zhì)上聚集，但是這又產(chǎn)生了上面提到關(guān)于孔被堵塞和呼吸能力的減弱的缺點(diǎn)。
為了解決由于活性碳不適合紡織品的加工而帶來(lái)的問(wèn)題，文獻(xiàn)FR2599761A建議用一種包含具有所需機(jī)械特性的芯，例如一個(gè)金屬芯的復(fù)合線與被纏繞或卷于其上的碳前體纖維。復(fù)合線在碳化和活化碳前體纖維之前可被用于制造布料。根據(jù)文獻(xiàn)FR2599761A，產(chǎn)生的布料能被用于制造衣物防護(hù)片。此方法的缺點(diǎn)在于其過(guò)程復(fù)雜和制造復(fù)合線成本昂貴。另一個(gè)缺點(diǎn)在于金屬加固作用的存在導(dǎo)致衣物片非常僵硬，這從軍事應(yīng)用的謹(jǐn)慎觀點(diǎn)來(lái)看是不利的。
活性碳布料是已知的，并被用于過(guò)濾片應(yīng)用。文獻(xiàn)FR2741363A和WO989/41678A描述了這種織物的制造。然而，由這種織物制造成型的衣物需要用縫紉加工。遺憾地是，活性碳布料里的縫線導(dǎo)致了局部僵硬度的顯著增加，引起了不舒適。此外，由于產(chǎn)生了非統(tǒng)一尺寸的孔，針腳給本應(yīng)被阻擋的毒物提供了方便的通道。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能制造成型過(guò)濾片的方法，特別是，但并非排它性地，用于NBC防護(hù)的衣物片，而且不具有上述缺點(diǎn)。
更加特別地，本發(fā)明尋求獲得由活性碳纖維整體制成的成型過(guò)濾片，該規(guī)律片可洗滌，有熱穩(wěn)定性，能在潮濕的條件下保持良好的吸收特性，而其本身表現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度，其孔隙不能能使應(yīng)被過(guò)濾的基質(zhì)通過(guò)，這些目的由一種方法實(shí)現(xiàn)，其包括組成步驟-用一種紡織品制造方法，用碳前體纖維的粘附織物制造過(guò)濾片的預(yù)制坯；-進(jìn)行碳化和活化處理以直接獲得所需的由活性碳纖維制得的成型片；-測(cè)量預(yù)制坯的尺寸以考慮在碳化和活化處理中的收縮。
本發(fā)明的出色之處在于過(guò)濾片可以在碳化和活化碳前體纖維預(yù)制胚后直接得到，之前碳前體纖維已使用一種紡織品制造方法成型獲得與所需過(guò)濾片相應(yīng)的形狀。
用以使預(yù)制坯成型的紡織品制造方法，至少部分由針織、縫制一種二維織物或編織構(gòu)成。術(shù)語(yǔ)“二維織物”在此特別用于指一種機(jī)織織物或一種多方向的網(wǎng)。
預(yù)制坯特別用一種纖維素纖維織物制成，例如使用人造纖維，這樣可以得到高純度的碳纖維和較大的比表面積，如大于800每克平方米(m2/g)，或?qū)嶋H大于1200m2/g。
在本方法的第一種實(shí)施方案中，碳化和活化處理包括-碳化步驟包括在惰性氣體環(huán)境下，溫度范圍高至250-500℃下熱處理；-在750-950℃的溫度范圍下活化碳化過(guò)的預(yù)制坯的步驟。
活化在氧化環(huán)境下進(jìn)行，例如水蒸氣和/或二氧化碳。
在本方法的第二種實(shí)施方案中，碳化和活化順序包括-用含有至少一種能促進(jìn)纖維素分解的成分的組合物浸泡預(yù)制坯的步驟；-在350-500℃的溫度范圍下的熱處理，以直接得到活性碳纖維的過(guò)濾片。
本發(fā)明還提供了一種由此方法得到的該類型衣物，即一種成型衣物片的其特征在于它是作為單片由活化碳纖維構(gòu)成的粘附纖維制造的。
這樣衣物的出色在于其本身表現(xiàn)出良好的能被使用的強(qiáng)度，然而卻是由活性碳纖維制得的。
此外，由于本發(fā)明的衣物是由碳構(gòu)成的，所以它們?cè)谟谢鸫嬖跁r(shí)表現(xiàn)出良好的特性和熱穩(wěn)定性。由于碳纖維的導(dǎo)電性，可以去除靜電。它們也很容易被清洗。相比于活性碳顆粒，活性碳纖維制得的過(guò)濾片由于潮濕只有有限的性能損失?；钚蕴祭w維中的孔絕大部分是微孔，它們不會(huì)由于毛細(xì)管作用充滿水，而變得不適用。此外，因?yàn)榭自诔叽缟媳然钚蕴碱w粒小得多，因此對(duì)于給定重量的碳，活性碳纖維對(duì)于氣流呈現(xiàn)出較大的外表面積。對(duì)于特定性能，相關(guān)的過(guò)濾片的厚度能大大被減少。


在閱讀以下以非限定性指示和

后將會(huì)更好的理解本發(fā)明。其中圖1顯示了構(gòu)成發(fā)明的一種實(shí)施方法的連續(xù)步驟；圖2顯示了一種圖1所示的實(shí)施方法的變體的連續(xù)步驟；
圖3是一幅照片，顯示了一個(gè)用粘線織成的手套的預(yù)制坯和給預(yù)制坯進(jìn)行碳化和活化處理后得到的活性碳纖維手套。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，完成了制造服裝防護(hù)片的參照。如上所述，本發(fā)明并不局限于這種應(yīng)用，其更加一般地覆蓋制造成型過(guò)濾片。
圖1所示的方法的第一個(gè)步驟10包括用紡織品制造方法制造過(guò)濾片的預(yù)制坯。
預(yù)制坯以線或紗形式的碳前體纖維制得，可以使用各種不同類型的前體，如過(guò)氧化聚丙烯晴(PAN)、瀝青、酚類化合物。優(yōu)選地，使用的是纖維素前體，尤其是粘膠纖維，如人造纖維。
預(yù)制坯的形狀應(yīng)對(duì)應(yīng)于要制造的過(guò)濾片，不過(guò)要考慮在碳化和活化過(guò)程中的收縮。
通過(guò)使用碳前體纖維的線或紗，特別是針織或編織的，可以直接進(jìn)行成型。
也可以從碳前體纖維線或紗制造二維織物開始，例如一種機(jī)織織物或一種多方向的網(wǎng)，可以裁剪預(yù)制坯的形狀并使用同樣的線進(jìn)行縫紉來(lái)成型。通過(guò)疊加多數(shù)單方向網(wǎng)形成多方向網(wǎng)，而單方向的網(wǎng)是由平行延伸于給定方向的線或紗制得的。疊加單方向的網(wǎng)以在不同的方向延伸，它們彼此任意結(jié)合，例如通過(guò)縫紉或輕的縫針。
本方法的第二個(gè)步驟20是碳化預(yù)制坯。碳化過(guò)程包括在惰性氣體環(huán)境下溫度范圍高至250-500℃的熱處理階段，例如溫度等于約400℃，這個(gè)階段在慢慢增溫下進(jìn)行，典型的是在增溫率0.01-0.5℃/分鐘之間，經(jīng)過(guò)數(shù)天至數(shù)周的相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間。
熱處理的最后一個(gè)階段在一個(gè)較高的溫度下最后進(jìn)行，例如溫度高至600-900℃，同樣也在惰性氣體環(huán)境下，持續(xù)時(shí)間較短，如數(shù)分鐘。
在甚至更高的溫度下，如溫度范圍1000-1300℃并減壓，如壓力范圍5-60Pa的熱處理可以選擇性進(jìn)行相對(duì)較短的時(shí)間，約1分鐘，以促進(jìn)由氣態(tài)流出物導(dǎo)致的不純物的減少。
此方法的第三步驟30是活化獲得的碳纖維預(yù)制坯。通過(guò)將碳纖維預(yù)制坯在氧化環(huán)境下進(jìn)行熱處理完成活化，例如水蒸氣，優(yōu)選二氧化碳或二氧化碳與水蒸氣的混合物。參見上面引用的文獻(xiàn)FR2741363A。熱處理溫度范圍為750-950℃，優(yōu)選850-950℃，根據(jù)所需的比表面積，優(yōu)選持續(xù)時(shí)間為50-300min。因此獲得的活性碳纖維片的比表面積有可能大于800m2/g，或甚至大于1200m2/g。
根據(jù)過(guò)濾片的目的用途，可以選擇性進(jìn)行后處理的最后步驟40。根據(jù)實(shí)施例的方法，一種后處理是形成精細(xì)的沉積，以固定一些碳顆粒防止它們?cè)谶^(guò)濾片的使用中脫離。這種沉積能通過(guò)噴灑彈性體或乳膠來(lái)實(shí)現(xiàn)。
另一種后處理是給過(guò)濾片加上襯里，其作用不是給過(guò)濾片增加強(qiáng)度而是避免使用者的皮膚與過(guò)濾片直接接觸。襯里可以被充氣以避免影響多孔性和滲透性，同時(shí)需要通過(guò)一些點(diǎn)與過(guò)濾片連接，例如通過(guò)膠粘劑。
圖2顯示適于本方法與纖維素前體纖維預(yù)制胚使用的變化的實(shí)施方式。該變化方式不同于圖1所示的方法之處在于步驟20和30的碳化和活化被步驟20’的用一種含有一種能促進(jìn)纖維素脫水的成分的組合物浸泡預(yù)制坯和熱處理步驟30’的直接獲得由活性碳纖維制得的過(guò)濾片的步驟所取代。
用含有至少一種能促進(jìn)纖維素脫水的成分的組合物來(lái)完成浸泡，例如選自磷酸，氯化鋅，硫酸鉀，氫氧化鉀，磷酸氫二銨和氯化銨的無(wú)機(jī)成分。優(yōu)選使用含有磷酸的組合物進(jìn)行浸泡以使重量為干預(yù)制坯的10-22％的酸可以固定在預(yù)制坯上。熱處理包括以1-15℃/min的速率升溫，然后優(yōu)選在惰性氣體或含有反應(yīng)活化劑如二氧化碳或水蒸氣的環(huán)境下，在350-500℃的溫度范圍停頓。優(yōu)選產(chǎn)生的過(guò)濾片接下來(lái)被清洗。這種方法在上面提到的國(guó)際專利申請(qǐng)WO98/41678中描述。由此直接制得由活性碳纖維構(gòu)成的過(guò)濾片。
實(shí)施例1圖3照片中左側(cè)所示的手套預(yù)制坯由330分特(dtex)人造線用長(zhǎng)襪針織成，手套的邊沿用167分特人造線制成。
將預(yù)制坯置于窯中的框架上熱處理約2周。溫度被非常緩慢的升高，低于0.1℃/min，直到到達(dá)高至約400℃的水平。
產(chǎn)生的預(yù)制坯接著在溫度高至700℃下熱處理一段時(shí)間約15min，以加固碳結(jié)構(gòu)。
碳化的預(yù)制坯在850℃的溫度、二氧化碳(CO2)環(huán)境下在旋轉(zhuǎn)的高壓鍋中被活化1小時(shí)(h)。
產(chǎn)生的手套像圖3照片中右側(cè)所示的手套。它們表現(xiàn)如下的平均特性-比表面積約等于1500m2/g；-牽引中的斷裂強(qiáng)度等于約15分牛頓每厘米(daN/cm)；-斷裂伸長(zhǎng)率約50％；-碳含量約95％；-活性碳纖維(單絲)的直徑約17微米(m)。
由碳化和活化引起的收縮量平均為32％。這種收縮應(yīng)考慮到預(yù)制坯的制造中，以增加所需手套的預(yù)制坯的尺寸。
應(yīng)當(dāng)遵循的是，依據(jù)使用的紡織品的制造方法和過(guò)濾片的形狀，收縮不必在整個(gè)過(guò)濾片上和各個(gè)方向上是一致的。預(yù)制坯的形狀最好由測(cè)試決定，這種測(cè)試可以設(shè)計(jì)出仿真模型。
為了避免與皮膚直接接觸，活性碳纖維手套可以被加上里層手套，如棉制的。手套和里層手套通過(guò)一些膠粘點(diǎn)來(lái)連接。
產(chǎn)生的集合體可以直接插入外層手套，如皮革手套。在操作中，只有由活性碳纖維手套和任何里層手套形成的預(yù)集合體是一次性的。不用放出毒性排出物就很容易被燒成灰。
實(shí)施例2將如實(shí)施例1中的手套預(yù)制坯浸泡在體積濃度20％的磷酸H3PO4水溶液中。浸泡過(guò)的預(yù)制坯在70-90℃溫度之間被烘烤以去除水分，相對(duì)于干預(yù)制坯的重量，固定在預(yù)制坯上的磷酸量大約為16重量％。
然后將預(yù)制坯連續(xù)插入熱處理爐，在熱處理爐內(nèi)被例如玻璃纖維制得的傳送帶上支撐住運(yùn)送。熱處理包括以約5℃/min的速率升溫，接著是約200℃的恒定溫度。熱處理在惰性氣體(氮?dú)?環(huán)境下持續(xù)約90分鐘。
將產(chǎn)生的手套在溫度90℃的去礦物質(zhì)水中清洗。
這種方法制得的活性碳纖維手套表現(xiàn)了如下特性-比表面積約等于800m2/g；
-牽引斷裂強(qiáng)度等于約12分牛頓每厘米(daN/cm)；-斷裂伸長(zhǎng)率約50％；-碳含量約80％。
測(cè)量到的平均收縮量是28％。
測(cè)試防芥子氣的效果測(cè)試通過(guò)使用實(shí)施例1得到的手套進(jìn)行。
氣相的測(cè)試用芥子氣在37℃進(jìn)行。
經(jīng)過(guò)超過(guò)8小時(shí)的測(cè)試沒(méi)觀察到從手套構(gòu)成的防護(hù)屏障通過(guò)。
用芥子氣在20℃的環(huán)境下進(jìn)行液相測(cè)試。液滴形式的芥子氣與手套接觸，所用的沾染量為手套的表面上10g/m2。通過(guò)以0.2×10-2米每秒(m/s)的速度從手套內(nèi)部抽取空氣流測(cè)定通過(guò)手套的芥子氣的數(shù)量。24小時(shí)后，測(cè)到的穿透數(shù)量為0.2微克每平方米(μg/m2)到1.02微克每平方米之間。
這些測(cè)試表明了由于活性碳纖維的吸收特性，可以得到顯著的有效防護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種制造包含活性碳纖維的成型過(guò)濾片的方法，其特征在于包括步驟-用一種紡織品制造方法，用碳前體纖維制成的粘附織物制造過(guò)濾片的預(yù)制坯；-進(jìn)行碳化和活化處理以直接獲得由活性碳纖維制得的所需成型片；-測(cè)量預(yù)制坯的尺寸以考慮在碳化和活化處理中的收縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的預(yù)制坯至少部分由碳前體纖維制成的線針織制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的預(yù)制坯至少部分由碳前體纖維制成的二維織物縫織而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的預(yù)制坯至少部分由碳前體纖維制成的線編織制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的預(yù)制坯由一種粘附的纖維素纖維織物制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的預(yù)制坯由一種粘附的人造纖維織物制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于碳化和活化處理包括-碳化步驟包括在惰性氣體環(huán)境下，溫度范圍高至250-500℃的熱處理；和-在750-950℃的溫度范圍下進(jìn)行活化碳化過(guò)的預(yù)制坯步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求5和6任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的碳化和活化處理包括-用含有至少一種能促進(jìn)纖維素分解的成分的組合物浸泡預(yù)制坯的步驟；和-在350-500℃的溫度范圍下的熱處理，以直接得到活性碳纖維的過(guò)濾片。
9.一種包含活化碳纖維的成型衣物防護(hù)片，其特征在于它由單一片粘附的活性碳纖維組成的織物制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纖維組成的線針織構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纖維縫織成型的二維織物構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的衣物片，其特征在于它至少部分由活性碳纖維組成的線編織構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，它由以下步驟構(gòu)成以粘附碳前體纖維織物通過(guò)使用如針織、二維織物的縫紉或編織的制造方法制造預(yù)制坯成分；進(jìn)行碳化和活化處理以直接得到所需活性碳纖維制成的成型片；測(cè)量預(yù)制坯的尺寸以考慮在碳化和活化處理中的收縮的步驟。該發(fā)明方法特別用于制造衣物防護(hù)部分，以在受攻擊時(shí)提供防護(hù)，例如核、生物或化學(xué)攻擊。
文檔編號(hào)B01D39/20GK1418123SQ01806827
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2001年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月22日
發(fā)明者L·烏弗里 申請(qǐng)人:梅西耶－布加蒂