[科普中国]-离子交换纤维

简介

离子交换纤维（Ion Exchange Fiber，简称IEF） 是一种纤维状离子交换材料，离子交换纤维作为新型功能高分子材料，具有独特的化学及物理吸附和分离功能，在一些相关领域有着不可代替的作用，在环境保护、资源回收再生、医药、化工、冶金等方面都有广阔的应用前景。

离子交换纤维主要分为四类：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1。

发展历程早期的离子交换纤维是以纤维素为基体制备的，也称离子交换纤维素，其产品主要是粉状物。五十年代，随着化学纤维的发展，开始出现以化纤为基体制备的离子交换纤维。70—80年代，是离子交换纤维发展较快的时期，各国发表的论文、专利逐渐增多，其中，俄罗斯、自俄罗斯、日本的技术较为成熟，并有商品出售，应用于劳保、环保、水处理等方面．迄今，用做离子交换纤维的化纤基体主要有聚烯烃、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、氯乙烯一丙烯腈共聚物等纤维，也有用天然纤维或其它化纤为基体的。

离子交换纤维技术2004年9月上旬在北京理工大学获得突破，填补了此领域内的国内空白。目前有课题组已掌握了这一项目的核心技术，获得两项中国发明专利，另外申报的两项发明专利已经被国家知识产权局受理。

两个子课题——离子交换纤维制备及在蔗糖糖浆脱色中的应用项目，以及20t/a离子交换纤维生产工艺 （中试） 技术项目，均已通过广西自治区科技厅组织的成果鉴定，总体达到国际先进水平，并在其应用研究方面填补国内外空白。该项目已建成20t/a离子交换纤维工业化生产装置，批量生产出合格产品，使我国成为继俄罗斯、日本之后，国际上少数几个掌握离子交换纤维工业化生产核心技术，实现离子交换纤维产业化的国家之一。

离子交换纤维被国际科学界、产业界称为21世纪功能材料。发展高效的离子交换纤维及其应用技术是当前功能材料科学发展的前沿课题，一直是全球分离材料研发领域的一大热点。

性能酸碱特性目前为止，已有不少关于测定离子交换纤维的表观酸碱特性的文献见诸于世，它密切联系了凝结作用与吸附作用等界面反应，是水化固体的重要特性之一，电位滴定法是测定纤维酸碱性的一个重要方法。

化学稳定性离子交换纤维的化学稳定性，是指纤维在化学因素作用下保持原有物理化学性质的能力，由骨架聚合物和功能基团共同决定。离子交换纤维应具有良好的化学稳定性，例如，在各种酸（如 HCl、H2SO4）、碱（如NaOH、Na2CO3、NH4OH）、氧化性物质（如 H2O2、K2Cr2O7、KMnO4）等中应保持有一定的稳定性。

机械性能离子交换纤维的机械强度取决于它的制备工艺、化学功能基团数量以及网状结构密度。由于制备过程中，伴随着多步化学反应，原纤维骨架会发生不同程度的链间交联、支链化以及取向和晶体结构的破坏，所以一般情况下离子交换纤维的机械强度明显低于原化学合成纤维的强度，但适当强度足以满足一般加工过程的使用要求。总之，在循环使用过程中离子交换纤维的机械性能与交换容量应基本保持不变，才能使工艺过程稳定。

交换吸附性能对于离子交换纤维，其交换容量为一定量的纤维所带有的可交换离子的数量，是衡量纤维质量的重要指标之一。离子交换纤维的交换容量取决于固定在纤维大分子结构上的活性基数量及其解离程度和可及度，由于影响离子交换的因素较多，不同离子交换纤维的交换容量也相差较大。

动力学性能与颗粒状离子交换材料相比，离子交换纤维具有较大的外比表面积和较短的传质距离，所以它具有更快的吸附与解吸速度，其吸附速度可高出前者几倍、甚至十几倍2。

制备方法离子交换纤维的制备方法主要包括单体共聚法、聚合物混合成纤法、化学改性法、高聚物接枝单体法。

单体共聚法单体共聚法，是将具有或能转变为离子交换基团的单体与能成纤的单体直接进行共聚，再纺成纤维。采用此法制备的离子交换纤维，其分子链上的功能基不但分布均匀，且含量较高。但由于在共聚反应过程中需对含功能基的单体加以保护，并且这类单体的价格昂贵，因此该制备方法的应用受到一定的限制。

聚合物混合成纤法聚合物混合成纤法，有两种途径：一种是将离子交换剂分散到纺丝液中，形成纤维后，经过处理制得离子交换纤维；另一种是将两种高聚物共混或复合纺丝后，经过处理制成离子交换纤维，目前这种方法发展较快。

化学改性法高聚物化学改性法，是对纤维中具备的可能进行化学反应的基团进行化学上处理，使其部分发生转化而引入离子交换基团。此法制备过程简单，应用较广泛。但由于此法功能基直接转化率低于相应接枝共聚的转化率，且直接功能化反应会改变原纤维的高分子骨架结构而导致纤维机械强度明显下降，故某种程度上限制了它的应用。

高聚物接枝法

高聚物接枝法，分为两种：一种是化学接枝法，另一种是辐射接枝法。化学接枝法是以化学物质为引发剂，使某些天然或人造纤维产生自由基，进而与含不饱和基的单体接枝共聚，从而引入可交换基团。但此法的缺点是接枝率和单体。此法缺点利用率较低，造成原料浪费、分离困难、产品应用受限等。

辐射接枝法是通过辐射使纤维产生自由基，然后与含不饱和基单体接枝共聚，从而引入可交换基团。近年来应用较多的制备方法除了化学改性法，就是辐射接枝法。