摘要：活性炭、活性炭纖維由于其大比表面積和微孔結構、高吸附能力和高表面活性而成為獨特的吸附材料。活性炭纖維防護口罩能有效防止5μm以下的飄塵和由呼吸道傳播的多種病菌，起到了防護作用，這是普通口罩不能相比的。
1 前言
活性炭（AC）是一種具有多孔結構和大的內部比表面積的材料。活性炭由于其大比表面積、微孔結構、高吸附能力和高表面活性而成為獨特的多功能吸附劑。
活性炭纖維（ACF）是20世紀70年代開發出的新型功能性吸附材料，它采用有機纖維為原料，經碳化活化后制成。ACF的孔結構分布基本上呈單分散型，主要由小于0.2nm的微孔組成，微孔含量多達90%以上。根據原料或活化條件的不同還有少量中孔，但是沒有大孔，微孔由纖細的毛細管壁構成，大量的微孔使ACF的表面積增加，故吸附能力也隨之加強。纖維直徑小，吸附質擴散路徑短，使其對吸附質顯現出良好的動力學特征，吸附、脫附速率相當快。
為開發出能夠達到較高防護能力的口罩，需要選擇能夠對微粒有過濾效率的過濾介質。防毒面具、口罩和防護服是活性炭較早的應用形式。活性炭纖維作為口罩的過濾系統能有效阻擋粒徑較小的有害氣體或微粒侵入人體，從而達到防塵防毒、防化和防菌的綜合效果。
2 活性炭及活性炭纖維的發展
2.1 活性炭的發展
18世紀末，人們發現了木炭具有吸附能力，這一發現導致木炭于1794年在英國精制糖廠獲得工業應用。后來人們又在各種原料制成的活性炭中，發現椰子殼活性炭具有吸附性能，并且它的質地致密堅固，這種材料一戰中被用于防毒面具，它是當時能得到的吸附劑。1900年，奧斯特雷杰科發明了氯化法生產活性炭的工藝，開辟了活性炭生產的現代工藝新途徑，隨著化學工業的迅速發展，活性炭的研究和應用得到了很大的擴展。現在，活性炭作為一種孔隙發達的材料，已被廣泛應用于分離、精制、催化劑、試劑回收及防護裝備中，特別是在環境治理方面得到了廣泛應用。
2.2 活性炭纖維的發展
1962年，美國專利涉及到活性炭纖維技術，Abbott以粘膠纖維為原料，進行炭化和活化等處理后成功地制成了活性炭纖維；同年，日本進藤以特種聚丙烯酯為原料，制得PAN基活性炭纖維；1972年，Arons和Macnair以酚醛為原料制得活性炭纖維；1975年。日本東洋紡織公司制成高性能粘膠基活性炭纖維和再生活性炭纖維；1983年，日本炭素公司和尤尼吉卡公司開發生產瀝青基活性炭纖維；1977年，商品粘膠（纖維素）基活性炭纖維問世，其后聚丙烯腈（PAN）基、酚醛基、瀝青基相繼實現工業化生產。
2.3 活性炭纖維的優點
活性炭纖維與粒狀活性炭相比具有以下優點：
(1)纖維直徑-般為10~13μm，與吸附質接觸面積大且可以均勻接觸，增加了吸附幾率，提高了吸附材料的利用率。
(2)外表面積大，吸附、脫附速度快，約為活性炭的10~100倍；吸附容量大，吸附效率高，約是活性炭的1.5~10倍。
(3)孔徑分布窄，且主要以微孔為主，孔徑小和力場重疊的特點對低濃度物質有較好的分離作用，并且可以通過各種手段來調節孔徑形成分子篩從而達到分離目的。
(4)吸附層薄，可以使設備更加小型化。
(5)強度大，不易粉化，二次污染小，同時純度高，雜質少。
(6)體密度小，蓄熱少，操作安全。
(7)良好的成型性，可以做成各種形態的吸附劑。
3 活性炭、活性炭纖維在防護口罩中的應用
3.1 防護口罩現狀
由于我國剛剛頒布防護口罩的技術標準，所以目前市場上口罩的質量、性能良莠不齊。現在醫院使用的大部分口罩只能防塵，對醫務工作人員起不到防護作用，更談不上阻擋飛沫和空氣中傳播的病毒。
3.2 防護口罩的分類
(1)普通脫脂紗布口罩
普通脫脂紗布口罩是經緯紗線交織而成，單層孔徑很大，須靠多層疊加來增加過濾效率，但是紗布的結構特點決定其只能夠阻止介質顆粒直徑較大的粉塵及病菌，要阻隔捕集微細病毒顆粒，是難以達到的。
(2)非織造布過濾材料口罩
隨著科技的發展，非織造布的出現為防護用品提供了更為可靠的選擇。通過對各種材料的組合方式進行反復細致的研究、試驗和摸索，發現在紡織材料中由于機織和針織織物都是二維交織而成的結構，使得它們難以對微塵粒子進行有效屏蔽和過濾，因此選用了呈三維立體且具微孔結構的非織造布作為高過濾效率的過濾介質。非織造布有很多類型，其中針刺非織造布、浸漬法化學粘合非織造布、濕法非織造布、水刺法非織造布、紡粘法非織造布和熔噴法非織造布等都對顆粒有較好的過濾效果，并且各項試驗數據顯示：熔噴法非織造布能達到國家標準規定的過濾效率指標。
(3)超微細纖維濾布材料口罩
超微細纖維熔噴材料是一種過濾材料，具有過濾效率高、空氣阻力小、耐腐蝕等優點，并且與其他材料進行復合后使用效果更好。其特點是：纖維直徑為300nm，通過駐極，可以提高過濾效率，同時不影響氣流阻力；纖維中超細纖維隨機排列，形成大量微小孔隙，纖維重疊，并且排列成網可以做到透氣不透水，耐酸堿，沒有毒，防潮。
(4)納米材料口罩
納米材料口罩是中國科學院化學研究所所屬中科納米科技中心專家采用納米材料制成，其織物表面具有很強的疏水性能，油性、水溶性等物質均不直接黏附在材料上，從而可以有效地阻擋飛沫進入口罩內層，而且納米材料所含的銀抗菌離子可以有效地殺死病菌。
3.3 活性炭在防護口罩中的應用
防毒面具、口罩和防護服是活性炭應用較早的形式。根據不同的環境狀況，有的活性炭還需要經過化學藥品的處理，添加不同的催化劑，才能對有害氣體進行有選擇的吸附。
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結構由兩層無紡布、內夾一層超細熔噴濾紙和一層活性炭布組成，可有效阻隔空氣中的微粒飄塵，吸附各種工業廢氣如苯、甲醛、氨氣等，減低有害氣體對人體呼吸系統造成的傷害。3M杯型活性炭口罩吸附性能更優越，防塵效率更高，特別適用于在含有機氣體、酸揮發物、農藥、二氧化硫等刺激性的場合使用，防毒除臭效果顯著。
3.4 活性炭纖維在防護口罩中的應用
活性炭纖維防護口罩由活性炭纖維內芯、無紡布內罩、白色純棉布外罪和鼻夾組成。這種口罩的性能和適用范圍都遠遠超過了普通紗布口罩(見表1)。由于口罩采用活性炭纖維材料做濾芯，加上有一定防塵作用的無紡布內罩和純棉布外罩，組成一個3級過濾系統。該系統能有效阻擋直徑比較小的有害氣體或微粒侵入人體，從而達到防塵防毒、防化和防菌的綜合效果。
表1 活性炭纖維防護口罩與普通紗布口罩的性能對比
| 口罩 | 層數 | 過濾效率% | 透過率% | 碘吸附量mg/g | 苯吸附率% | 備注 |
| 活性炭纖維 | - | 82.6-94.7 | ＜18 | ≥850 | ≥30 | 引自國家勞動保護用品質量監督檢驗中心，國家煤炭科學研究總院定期檢測報告 |
| 普通紗布口罩 | 8 | 5.4 | 94.6 | - | - | 引自中國個體防護裝備，2003（3）；15-16 |
| 12 | 5.6 | 94.4 | ||||
| 16 | 10.4 | 89.6 |
活性碳纖維防護口罩的主要特點是：具有防毒、濾菌、除臭阻塵等功效；特別適用于含有有機氣體、酸性揮發物、農藥、SO2、Cl2，等刺激性氣體的場合，防毒、除臭效果顯著。主要品種包括：4層、6層、8層和9層活性碳纖維紗布口罩，活性碳纖維弧形口罩，活性碳纖維杯形口罩，3M活性碳纖維口罩等。
3.5 活性炭纖維在醫療衛生方面的作用
活性炭纖維在醫療衛生應用方面有以下幾個優點：
(1)對生物和細菌有良好的吸附能力，對細菌的抑菌率可達96%-99%。對低濃度的吸附質有很高的吸附量。在醫院，尤其在病房中，空氣凈化器可以用負壓操作來實施，將活性炭纖維加工成活性炭纖維筒式濾芯來吸附。空氣凈化器設計成4L/min，即能滿足醫院的要求。
(2)通常病毒的大小在幾十納米左右，普通紗布口罩在使用幾個小時后就需要更換。如果將活性炭纖維制成活性炭纖維口罩，除了延長使用時間，還具有防毒、濾菌功能。在含有大量有機氣體、農藥、酸性揮發物的化工物質場所，活性炭纖維防護口罩能起到普通口罩不能起的作用，有效防止5μm以下的飄塵和由呼吸道傳播的多種病菌。
(3)活性炭纖維吸附能力強，吸附量大，容易吸附脫附，并且吸附脫附速率快，容易再生。
4 結束語
隨著活性炭纖維制備工藝的發展，我們可以制備出具有高吸附量、高抑菌率、小直徑、應用時間長等優點的醫療應用口罩。活性炭纖維將會越來越被人們認識和認可，也必將會迎來廣闊的市場前景。