摘要：活性炭、活性炭纤维由于其大比表面积和微孔结构、高吸附能力和高表面活性而成为独特的吸附材料。活性炭纤维防护口罩能有效防止5μm以下的飘尘和由呼吸道传播的多种病菌，起到了防护作用，这是普通口罩不能相比的。
1 前言
活性炭（AC）是一种具有多孔结构和大的内部比表面积的材料。活性炭由于其大比表面积、微孔结构、高吸附能力和高表面活性而成为独特的多功能吸附剂。
活性炭纤维（ACF）是20世纪70年代开发出的新型功能性吸附材料，它采用有机纤维为原料，经碳化活化后制成。ACF的孔结构分布基本上呈单分散型，主要由小于0.2nm的微孔组成，微孔含量多达90%以上。根据原料或活化条件的不同还有少量中孔，但是没有大孔，微孔由纤细的毛细管壁构成，大量的微孔使ACF的表面积增加，故吸附能力也随之加强。纤维直径小，吸附质扩散路径短，使其对吸附质显现出良好的动力学特征，吸附、脱附速率相当快。
为开发出能够达到较高防护能力的口罩，需要选择能够对微粒有过滤效率的过滤介质。防毒面具、口罩和防护服是活性炭较早的应用形式。活性炭纤维作为口罩的过滤系统能有效阻挡粒径较小的有害气体或微粒侵入人体，从而达到防尘防毒、防化和防菌的综合效果。
2 活性炭及活性炭纤维的发展
2.1 活性炭的发展
18世纪末，人们发现了木炭具有吸附能力，这一发现导致木炭于1794年在英国精制糖厂获得工业应用。后来人们又在各种原料制成的活性炭中，发现椰子壳活性炭具有吸附性能，并且它的质地致密坚固，这种材料一战中被用于防毒面具，它是当时能得到的吸附剂。1900年，奥斯特雷杰科发明了氯化法生产活性炭的工艺，开辟了活性炭生产的现代工艺新途径，随着化学工业的迅速发展，活性炭的研究和应用得到了很大的扩展。现在，活性炭作为一种孔隙发达的材料，已被广泛应用于分离、精制、催化剂、试剂回收及防护装备中，特别是在环境治理方面得到了广泛应用。
2.2 活性炭纤维的发展
1962年，美国专利涉及到活性炭纤维技术，Abbott以粘胶纤维为原料，进行炭化和活化等处理后成功地制成了活性炭纤维；同年，日本进藤以特种聚丙烯酯为原料，制得PAN基活性炭纤维；1972年，Arons和Macnair以酚醛为原料制得活性炭纤维；1975年。日本东洋纺织公司制成高性能粘胶基活性炭纤维和再生活性炭纤维；1983年，日本炭素公司和尤尼吉卡公司开发生产沥青基活性炭纤维；1977年，商品粘胶（纤维素）基活性炭纤维问世，其后聚丙烯腈（PAN）基、酚醛基、沥青基相继实现工业化生产。
2.3 活性炭纤维的优点
活性炭纤维与粒状活性炭相比具有以下优点：
(1)纤维直径-般为10~13μm，与吸附质接触面积大且可以均匀接触，增加了吸附几率，提高了吸附材料的利用率。
(2)外表面积大，吸附、脱附速度快，约为活性炭的10~100倍；吸附容量大，吸附效率高，约是活性炭的1.5~10倍。
(3)孔径分布窄，且主要以微孔为主，孔径小和力场重叠的特点对低浓度物质有较好的分离作用，并且可以通过各种手段来调节孔径形成分子筛从而达到分离目的。
(4)吸附层薄，可以使设备更加小型化。
(5)强度大，不易粉化，二次污染小，同时纯度高，杂质少。
(6)体密度小，蓄热少，操作安全。
(7)良好的成型性，可以做成各种形态的吸附剂。
3 活性炭、活性炭纤维在防护口罩中的应用
3.1 防护口罩现状
由于我国刚刚颁布防护口罩的技术标准，所以目前市场上口罩的质量、性能良莠不齐。现在医院使用的大部分口罩只能防尘，对医务工作人员起不到防护作用，更谈不上阻挡飞沫和空气中传播的病毒。
3.2 防护口罩的分类
(1)普通脱脂纱布口罩
普通脱脂纱布口罩是经纬纱线交织而成，单层孔径很大，须靠多层叠加来增加过滤效率，但是纱布的结构特点决定其只能够阻止介质颗粒直径较大的粉尘及病菌，要阻隔捕集微细病毒颗粒，是难以达到的。
(2)非织造布过滤材料口罩
随着科技的发展，非织造布的出现为防护用品提供了更为可靠的选择。通过对各种材料的组合方式进行反复细致的研究、试验和摸索，发现在纺织材料中由于机织和针织织物都是二维交织而成的结构，使得它们难以对微尘粒子进行有效屏蔽和过滤，因此选用了呈三维立体且具微孔结构的非织造布作为高过滤效率的过滤介质。非织造布有很多类型，其中针刺非织造布、浸渍法化学粘合非织造布、湿法非织造布、水刺法非织造布、纺粘法非织造布和熔喷法非织造布等都对颗粒有较好的过滤效果，并且各项试验数据显示：熔喷法非织造布能达到国家标准规定的过滤效率指标。
(3)超微细纤维滤布材料口罩
超微细纤维熔喷材料是一种过滤材料，具有过滤效率高、空气阻力小、耐腐蚀等优点，并且与其他材料进行复合后使用效果更好。其特点是：纤维直径为300nm，通过驻极，可以提高过滤效率，同时不影响气流阻力；纤维中超细纤维随机排列，形成大量微小孔隙，纤维重叠，并且排列成网可以做到透气不透水，耐酸碱，没有毒，防潮。
(4)纳米材料口罩
纳米材料口罩是中国科学院化学研究所所属中科纳米科技中心专家采用纳米材料制成，其织物表面具有很强的疏水性能，油性、水溶性等物质均不直接黏附在材料上，从而可以有效地阻挡飞沫进入口罩内层，而且纳米材料所含的银抗菌离子可以有效地杀死病菌。
3.3 活性炭在防护口罩中的应用
防毒面具、口罩和防护服是活性炭应用较早的形式。根据不同的环境状况，有的活性炭还需要经过化学药品的处理，添加不同的催化剂，才能对有害气体进行有选择的吸附。
活性炭口罩有平面活性炭口罩、3M杯型活性炭口罩等。其中平面活性炭口罩结构由两层无纺布、内夹一层超细熔喷滤纸和一层活性炭布组成，可有效阻隔空气中的微粒飘尘，吸附各种工业废气如苯、甲醛、氨气等，减低有害气体对人体呼吸系统造成的伤害。3M杯型活性炭口罩吸附性能更优越，防尘效率更高，特别适用于在含有机气体、酸挥发物、农药、二氧化硫等刺激性的场合使用，防毒除臭效果显著。
3.4 活性炭纤维在防护口罩中的应用
活性炭纤维防护口罩由活性炭纤维内芯、无纺布内罩、白色纯棉布外罪和鼻夹组成。这种口罩的性能和适用范围都远远超过了普通纱布口罩(见表1)。由于口罩采用活性炭纤维材料做滤芯，加上有一定防尘作用的无纺布内罩和纯棉布外罩，组成一个3级过滤系统。该系统能有效阻挡直径比较小的有害气体或微粒侵入人体，从而达到防尘防毒、防化和防菌的综合效果。
表1 活性炭纤维防护口罩与普通纱布口罩的性能对比
| 口罩 | 层数 | 过滤效率% | 透过率% | 碘吸附量mg/g | 苯吸附率% | 备注 |
| 活性炭纤维 | - | 82.6-94.7 | ＜18 | ≥850 | ≥30 | 引自国家劳动保护用品质量监督检验中心，国家煤炭科学研究总院定期检测报告 |
| 普通纱布口罩 | 8 | 5.4 | 94.6 | - | - | 引自中国个体防护装备，2003（3）；15-16 |
| 12 | 5.6 | 94.4 | ||||
| 16 | 10.4 | 89.6 |
活性碳纤维防护口罩的主要特点是：具有防毒、滤菌、除臭阻尘等功效；特别适用于含有有机气体、酸性挥发物、农药、SO2、Cl2，等刺激性气体的场合，防毒、除臭效果显著。主要品种包括：4层、6层、8层和9层活性碳纤维纱布口罩，活性碳纤维弧形口罩，活性碳纤维杯形口罩，3M活性碳纤维口罩等。
3.5 活性炭纤维在医疗卫生方面的作用
活性炭纤维在医疗卫生应用方面有以下几个优点：
(1)对生物和细菌有良好的吸附能力，对细菌的抑菌率可达96%-99%。对低浓度的吸附质有很高的吸附量。在医院，尤其在病房中，空气净化器可以用负压操作来实施，将活性炭纤维加工成活性炭纤维筒式滤芯来吸附。空气净化器设计成4L/min，即能满足医院的要求。
(2)通常病毒的大小在几十纳米左右，普通纱布口罩在使用几个小时后就需要更换。如果将活性炭纤维制成活性炭纤维口罩，除了延长使用时间，还具有防毒、滤菌功能。在含有大量有机气体、农药、酸性挥发物的化工物质场所，活性炭纤维防护口罩能起到普通口罩不能起的作用，有效防止5μm以下的飘尘和由呼吸道传播的多种病菌。
(3)活性炭纤维吸附能力强，吸附量大，容易吸附脱附，并且吸附脱附速率快，容易再生。
4 结束语
随着活性炭纤维制备工艺的发展，我们可以制备出具有高吸附量、高抑菌率、小直径、应用时间长等优点的医疗应用口罩。活性炭纤维将会越来越被人们认识和认可，也必将会迎来广阔的市场前景。