1、功能高分子材料离子交换纤维研究进展姓名： 朱广宇专业: 高分子班级： 101班学号: 20100160412013年11月30摘要: 离子交换纤维（IEF）的研究始于 20世纪 50年代，它是一种纤维状离子交换材料，本身含有固定离子以及和固定离子符号相反的活动离子，当与能解离化合物的溶液接触时，活动离子即可与溶液中相同符号的离子进行交换，故称离子交换纤维。离子交换纤维主要分为 5 类：强酸性阳离子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强碱性阴离子交换纤维、弱碱性阴离子交换纤维和两性离子交换纤维，广义上还包括螯合纤维。关键词：离子交换纤维，制备，结构，性能。前言：离子交换纤维(I EF ) 是一种纤维
2、状离子交换材料, IE F 可以直接从含有活性猛的高新技术材料, 与传统的离子交换树脂官能团的高聚物材料经喷丝法制备; 也可以相比, 具有有效表面积大、吸附速度快、吸附采用在天然、合成纤维或不同织物上进行化学反应的方式得到;是具有离子交换与吸附、化学反应催化、生物活性等新颖功能的纤维材料, 它在湿法冶金、环境保护、化工生产、卫生保健、天然及合成北学原料的分离提取等领域的应用是当今发展迅速的高新技术之一, IEF 是一类发展迅猛的吸附分离材料，因而有着十分广泛的应用前景1。离子交换纤维和颗粒状离子交换剂相比有以下特点: 1) 具有较小的几何尺寸, 纤维的直径一般为10 一50 拼m , 而颗粒状
3、交换剂的直径为0.3 一1.2 m m ; 2) 具有比较大的比表面积, 交换与洗脱速度都快;3) 可以多种形式应用, 如纤维、短纤维、织物、无纺布、毡、网等形式, 因此可用于各种方式的离子交换过程; 4) 可以深度净化、吸附微量物质; 5) 可以吸附、分离有机大分子。1 禽子交换纤维的制备1.1 高聚物大分子化学转换法以聚乙烯哼纤维为基体制备强峻性阳离子交换纤维和强碱性阴离子交换纤维,是将聚乙烯醇纤维用氯代乙缩醛化反应, 使缩醛度达47 % 、5 6%. 用硫化钠使纤维大分子交联,再进一步和亚硫唆钠丈应, 制得强唆性阳离子交换纤维. 经缩醛并交联的纤维和三乙胺反应, 一可制得强碱性阴离子交换
4、纤维。以聚丙烯晴一聚氛乙烯共聚纤维经水解反应, 使部分睛基水解为竣基, 可制得弱酸性阳离子交换纤维.以聚丙烯A) 纤维先交联再水解制得的弱酸性阳离子交换纤维, 一序牌号K H 一州2。1. 2 高聚物化学接枝法法化学接枝法是最常用的接枝方法，通过化学引发剂受热分解产生的自由基引发单体接枝。周绍箕等研究人员将聚烯烃纤维在过氧化苯甲酰引发下与苯乙烯接枝共聚，然后通过化学反应引入所需的官能团，制备了强酸性、强碱性和弱碱性IEF。但这种方法存在着接枝率不高（一般不超过 50 %）的缺点，使得其产品的应用效果不佳；单体利用率也低，大量单体没有参与接枝，剩余单体中大部分发生自聚反应而无法回收，造成了原料的
5、浪费。目前化学接枝的主要用途是通过在分子链上引入少量的功能性单体而对纤维进行改性，如聚丙烯纤维通过化学接枝引入少量的丙烯酸改善其吸水性；以聚丙烯纤维为基体化学引发法接枝烯基单体制 IEF，聚丙烯纤维经热氧化产生过氧化物或过氧化氢，后者分解引发接枝聚合，加入适量还原剂使过氧化氢分解时尽量产生羟基阴离子从而减少均聚物的生成3。结果表明，还原剂量是重要因素，它的存在将阻止或减少均聚物的产生。丙烯酸溶液浓度同样是一个重要的反应参数。在优化的反应条件下，可得交换容量 34mmol/g 的纤维。也可以过氧化苯甲酰为引发剂，由聚丙烯纤维制弱酸性阳 IEF。将聚丙烯纤维充分溶涨后，进行接枝反应。接枝液含烯酸、
6、二乙烯基苯和引发剂，在引发温度下进行接枝反应，得到弱酸性阳 IEF，其交换容量可达 36 mmol/g4。徐超武等以聚烯纤维为基体，过氧化苯甲酰为引发剂，接枝苯乙烯。接枝液含二乙烯基苯、引发剂、自由基保护剂及苯乙烯等。在 6098 下反应 812 h，得接枝纤维，再 6095 用硫酸磺化反应 824 h，可得强酸阳 IEF，其交换容量 33.5 mmol/g。如果接枝纤维用氯甲醚进行氯甲基化反应，得氯甲基化接枝纤维。此纤维进一步用三甲胺胺化，可得强碱阴 IEF5。1.3 墓链上具有活性墓的共滚物成纤法由具育交换基团的单体或能进一步化学交换的单体共聚而成. 用丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、茶乙烯、
7、氯乙烯作原始单体, 以溶液、乳液、本体聚合法实现共聚合反应,根据所得聚合物的性质, 以不同方法制备纤维, 这种纤维的缺点是强度低 ” I 。1.4 聚合物混合物成纤法可以将离子交换剂分散到形成纤维的纺丝液中再形成纤维, 其中交换剂的含在5 0%一60 % 之间为宜 7 1 . 可将小于1 0 0 拼的离子交换树脂微粒分散于可成纤的聚合物及低沸点的溶剂中再制成纤维, 其每克表面积可达l m“ “ l 。近年来, 日本东丽公司开发了聚乙烯一聚苯乙烯复合纤维, 以聚乙烯为岛成分, 聚苯乙烯为海戈分, 并将聚苯乙烯交联后, 再磺化制成强峻性阳离子交换纤维, 氯甲基化、胺化后制成阴离子交换纤维19 1
8、, 据称已商品化62 离子交换纤维的应用研究离子交换纤维的主要功能包括离子交换、吸附、脱水、催化、脱色等，其应用十分广泛，涉及水的软化和脱盐、填充床电渗析、废水处理（包括铀、重金属离子、核电站等）、气体净化（如CO2、HCl、N H3、SO2、H F、Cl2）等化工、轻工、食品、医药、生化多个领域。2.1 在水的软化、脱盐及净化上的应用据不完全统计，离子交换材料（包括树脂和膜）的 50% 80% 用于水的处理。下面介绍几个主要的应用领域。2.1.1 水的软化及脱盐纤维状离子交换剂是一种新材料，它的交换速度为树脂的 10 100 倍，当处理量相同时，其充填量较少，从而使装置更紧凑小巧。此外，离子
9、交换纤维对蛋白质等有机大分子、菌体和氧化铁等微粒的吸附能力优于树脂，净化彻底，因此处理后水质良好。国外一些公司已将离子交换纤维和反渗透膜或超滤膜组合成小型超纯水制造装置，用于电子行业超纯水的制备，并正在进行冷凝水及锅炉水的净化。可以预计，今后水处理设备中离子交换纤维的应用将更广泛。2.1.2 填充床电渗析填充床电渗析又称电去离子（EDI）或连续去离子（CDI）。电渗析过程中，随着水中含盐量的减少，电导率降低，极化现象出现，但耗电而水质不提高。当在淡室中填充离子交换材料时，淡室电导值增加，电流效率和极限电流密度提高，从而加速了离子迁移速度，使水高度纯化。在淡室进水电阻率相同的情况下，填充纤维比填
10、充树脂的效果好，其出水电阻率可提高一个数量级。目前用含离子交换纤维的非织造布电去离子设备制纯水，水质可达 18 Mcm（电阻率）。电去离子法和普通电渗析（ED）结合使用可处理核工业中的低浓放射性废水，总效率可达 99% 以上7。2.1.3 净化工业废水离子交换法是治理工业废水的重要方法之一，其特点是净化彻底，可深度净化。下面介绍几个应用实例。2.1.3.1处理矿坑水中的微量铀各种含铀废水都可用离子交换纤维吸附净化，可消除放射性污染，也可回收铀。利用离子交换纤维对矿坑水。在实验范围内，离子交换纤维的穿透体积和饱和体积比离子交换树脂高几十倍。纤维与树脂对铀的吸附性能差别较大，可能是由于纤维纤度小，
11、扩散通道短，交换基团能充分反应，比表面积大，因此吸附、解吸速度快。2.1.3.2处理废水中微量金属离子用弱酸性阳离子交换纤维净化工业废水中的微量铜，当pH值为 3 4 时，纤维对铜的交换容量可达 120 130mg/g，交换 30 min 后可达平衡，而用相同基团的树脂，交换容量仅为 60 65 mg/g，平衡时间则需 8 h。强酸性阳离子交换纤维还可用于从粘胶纤维的生产废水中提取锌，而强碱性阴离子交换纤维可用于含铬废水的治理。2.1.3.3净化核反应堆废水有文献报道，核反应堆排出的冷凝液的过滤、脱盐、净化均可使用离子交换纤维，处理后铁离子的含量可由 15g/L降至 2 4 g/L，而钠离子的
12、含量则由 0.15 g/L降至0.025 0.03 g/L。除了各种含金属离子的废水外，离子交换纤维还可用于各种含酸性、活性、阳离子染料的废水的吸附和净化。2.2 在气体净化、分离方面的应用离子交换纤维与颗粒状材料相比具有吸附、解吸速度快，净化、分离气体时阻力小的优点，用它做成的防毒面具的防护作用和活性炭相同，而呼吸阻力大大降低；同时由于可用普通方法再生，因此防毒面具的吸附过滤器可多次重复使用。用这种材料制成的织物、非织造布织物等可用于吸附、收集气体中的有害物如CO2、H Cl、N H3、SO2、H 2S、H F等以及液体水凝胶。2.2.1 吸附气体中的HCl用商品聚丙烯腈纤维为基体制备的弱酸
13、性阳离子交换纤维（钠型）吸附气体中的HCl，取 2 g纤维（交换容量为7.5 mmol/g）和 2 g树脂（交换容量为 8.4 mmol/g）。纤维穿透需 100 min，而树脂仅 80 min，完全穿透时纤维的平均交换容量为 9.11 mmol/g，吸附率则达 121%，估计除化学吸附外，还存在一定量的物理吸附。树脂的平均交换容量为 8.27mmol/g，吸附率为 98%。据估算，每克纤维能吸附HCl 208mg，而每克树脂只能吸附HCl 189 mg。2.2.2 其他气体的吸附和净化据实验，弱酸性阳离子离子交换纤维（氢型）对氨的吸附容量为 3.9 mmol/g。空气中的SO2可用离子交换纤
14、维吸附净化，如用强碱阴离子交换纤维（HCO3 或CO32型）净化空气或废气中的SO2，当SO2浓度为 200 mg/m3时，纤维的吸附能力为 200 230 mg/g。也可用弱酸性阳离子交换纤维（钠型）吸附空气中的SO2，吸附容量可达 3.13 mmol/g。弱碱性阴离子交换纤维可用于吸附H F，比树脂吸附快，且能与HF形成络合物，因而吸附容量高。用不同品种的离子交换纤维可选择性地吸附C O 2或H2S，从而达到分离的目的。用离子交换纤维和二氧化锰催化剂组合为过滤器，可用于室内通风和空气净化，去除氨、硫化氢、胺等。此外还可用于呼吸面具和防毒面具，具有比活性炭面具更低的阻力，且重量轻，结构简单。
15、2.3 在化工、轻工、冶金等方面的应用离子交换纤维用聚乙烯纤维增强后制成毡状物，作为固体酸催化剂用于反应性蒸馏；离子交换纤维作为离子色谱固定相，与树脂柱的效率相当，但流通阻力只有它的 1/10。阴离子交换纤维用于糖的脱色，比一般同类的树脂容量低，但交换速度快 14 倍，由于色素的分子量大，不能扩散入树脂内部，而纤维的扩散通道短，脱色性能好。含弱酸、弱碱基团的两性离子交换纤维对氨基酸有较好的分离性能，在碱性介质中对组氨酸吸附性强，在酸性介质中对丙氨酸吸附性强，而在弱酸介质中对谷氨酸有较好的吸附作用。铅蓄电池正极放电过程受电极活性物质（PbO2）微孔内氢离子的扩散所控制，将阳离子交换纤维与此物复合
16、成型，可在放电过程中释放大量氢离子，从而提高放电容量。离子交换纤维在金、银等贵金属的湿法冶炼领域有着广阔的应用前景，从矿渣浸提液、矿坑水等稀溶液中回收金属效果较好。以聚丙烯纤维为基体的离子交换纤维可用于吸附金，在其他金属氰化物离子存在的情况下，对金的选择性好，而强碱或含有胍基的离子交换纤维比对应的树脂要好。稀土元素的分离回收与纯化一直是离子交换技术发挥重要作用的领域之一。例如在分离钐 钕 镨混合物时，在流速相同的情况下，使用离子交换纤维可得到纯度为 85%的钐氧化物，而用离子交换树脂其纯度不超过 58%。2.4 在卫生及医疗领域的应用用离子交换纤维对生物活性物质（尤其是药物）进行提取、分离、纯
17、化等，一直较受关注。例如：用毛发酸水解制造胱氨酸过程中需要脱色，如用活性炭脱色，用量多、耗时长，且需加热，脱色不彻底；而离子交换树脂法存在污染物易堵塞树脂孔隙、不易再生、寿命短等缺点；而使用离子交换纤维则能有效避免上述不足。据报道，中药中的生物硷、黄酮等组分都可用离子交换纤维进行分离和浓缩。离子交换纤维填充的色谱法，分离效率高，可应用于生物活性物质的提取，如胰岛素和猪凝血酶的分离、纯化。最近，离子交换纤维柱还被应用于提取具有降血糖、食疗保健。此外，具有杀菌除臭、吸湿排汗等功能的卫生保健织物从其化学结构来看，也可归入离子交换纤维范围。这些纤维除了采用辐射接枝和功能基改性的方法外，还可利用纤维浸渍
18、芳香物质进行屏蔽或与螯合纤维与铁、铜离子配位的形式作为抗菌除臭成分。展望作为一类刚兴起的功能材料，离子交换纤维还有很长的路要走，特别是目前离子交换纤维的品种系列化，配套专用设备的设计开发，应用领域的拓宽以及其离子交换与吸附(特别是在各种气相条件)机理的研究都是应该抓紧进行的工作。离子交换纤维材料必将在工农业等许多领域发挥出独特的作用，并创造出愈来愈多的经济效益与社会效益。近年来，离子交换纤维发展较快，目前比较成熟的品种主要以聚烯烃、聚丙烯腈为基体制备的系列产品，随着工业制备的发展及应用领域的开拓，其工程装备和流程将会逐步完善，而质量和成本也将得到进一步优化。参考文献：1陈延林，鲍秀婷，许 魁，
19、贾丛然，郭 嘉新型离子交换纤维制备方法的探讨 第 31 卷 第 2 期 2006 年 4 月2周绍箕离子交换纤维的开发及应用纺织导报 China Textile Leader 2009 No.53 邓杰. 高性能复合材料树脂传递模塑（RTM）研究J. 纤维复合材料, 2005, 1: 5053.4 冯武, 王继辉, 孟志华, 等. RTM充模过程的气泡形成研究J. 武汉理工大学学报, 2004, 11: 57.5 李柏松, 王宇光, 王继辉, 等. RTM缺陷形成机理的研究J. 云南大学学报, 2002, 24: 280282.6原思国 离子交换纤维的制备与性能研究现状 河南化工1997 年 第4 期7周绍箕离子交换纤维的性能及其应用北京铀矿选冶研究所 1994-2013
