離子交換纖維

離子交換纖維（Ion Exchange Fiber，簡稱IEF） 是一種纖維狀離子交換材料，離子交換纖維作為新型功能高分子材料，具有獨特的化學及物理吸附和分離功能，在一些相關領域有着不可代替的作用，在環境保護、資源回收再生、醫藥、化工、冶金等方面都有廣闊的應用前景。

離子交換纖維主要分為四類：強酸性陽離子交換纖維、弱酸性陽離子交換纖維、強鹼性陰離子交換纖維、弱鹼性陰離子交換纖維 ^[1]  。

早期的離子交換纖維是以纖維素為基體制備的，也稱離子交換纖維素，其產品主要是粉狀物。五十年代，隨着化學纖維的發展，開始出現以化纖為基體制備的離子交換纖維。70—80年代，是離子交換纖維發展較快的時期，各國發表的論文、專利逐漸增多，其中，俄羅斯、自俄羅斯、日本的技術較為成熟，並有商品出售，應用於勞保、環保、水處理等方面．迄今，用做離子交換纖維的化纖基體主要有聚烯烴、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、氯乙烯一丙烯腈共聚物等纖維，也有用天然纖維或其它化纖為基體的。

離子交換纖維技術2004年9月上旬在北京理工大學獲得突破，填補了此領域內的國內空白。目前有課題組已掌握了這一項目的核心技術，獲得兩項中國發明專利，另外申報的兩項發明專利已經被國家知識產權局受理。

兩個子課題——離子交換纖維製備及在蔗糖糖漿脱色中的應用項目，以及20t/a離子交換纖維生產工藝 （中試） 技術項目，均已通過廣西壯族自治區科技廳組織的成果鑑定，總體達到國際先進水平，並在其應用研究方面填補國內外空白。該項目已建成20t/a離子交換纖維工業化生產裝置，批量生產出合格產品，使我國成為繼俄羅斯、日本之後，國際上少數幾個掌握離子交換纖維工業化生產核心技術，實現離子交換纖維產業化的國家之一。

離子交換纖維被國際科學界、產業界稱為21世紀功能材料。發展高效的離子交換纖維及其應用技術是當前功能材料科學發展的前沿課題，一直是全球分離材料研發領域的一大熱點。

目前為止，已有不少關於測定離子交換纖維的表觀酸鹼特性的文獻見諸於世，它密切聯繫了凝結作用與吸附作用等界面反應，是水化固體的重要特性之一，電位滴定法是測定纖維酸鹼性的一個重要方法。

離子交換纖維的化學穩定性，是指纖維在化學因素作用下保持原有物理化學性質的能力，由骨架聚合物和功能基團共同決定。離子交換纖維應具有良好的化學穩定性，例如，在各種酸（如 HCl、H2SO4）、鹼（如NaOH、Na2CO3、NH4OH）、氧化性物質（如 H2O2、K2Cr2O7、KMnO4）等中應保持有一定的穩定性。

離子交換纖維的機械強度取決於它的製備工藝、化學功能基團數量以及網狀結構密度。由於製備過程中，伴隨着多步化學反應，原纖維骨架會發生不同程度的鏈間交聯、支鏈化以及取向和晶體結構的破壞，所以一般情況下離子交換纖維的機械強度明顯低於原化學合成纖維的強度，但適當強度足以滿足一般加工過程的使用要求。總之，在循環使用過程中離子交換纖維的機械性能與交換容量應基本保持不變，才能使工藝過程穩定。

對於離子交換纖維，其交換容量為一定量的纖維所帶有的可交換離子的數量，是衡量纖維質量的重要指標之一。離子交換纖維的交換容量取決於固定在纖維大分子結構上的活性基數量及其解離程度和可及度，由於影響離子交換的因素較多，不同離子交換纖維的交換容量也相差較大。

與顆粒狀離子交換材料相比，離子交換纖維具有較大的外比表面積和較短的傳質距離，所以它具有更快的吸附與解吸速度，其吸附速度可高出前者幾倍、甚至十幾倍 ^[2]  。

離子交換纖維的製備方法主要包括單體共聚法、聚合物混合成纖法、化學改性法、高聚物接枝單體法。

單體共聚法，是將具有或能轉變為離子交換基團的單體與能成纖的單體直接進行共聚，再紡成纖維。採用此法制備的離子交換纖維，其分子鏈上的功能基不但分佈均勻，且含量較高。但由於在共聚反應過程中需對含功能基的單體加以保護，並且這類單體的價格昂貴，因此該製備方法的應用受到一定的限制。

聚合物混合成纖法，有兩種途徑：一種是將離子交換劑分散到紡絲液中，形成纖維後，經過處理製得離子交換纖維；另一種是將兩種高聚物共混或複合紡絲後，經過處理製成離子交換纖維，目前這種方法發展較快。

高聚物化學改性法，是對纖維中具備的可能進行化學反應的基團進行化學上處理，使其部分發生轉化而引入離子交換基團。此法制備過程簡單，應用較廣泛。但由於此法功能基直接轉化率低於相應接枝共聚的轉化率，且直接功能化反應會改變原纖維的高分子骨架結構而導致纖維機械強度明顯下降，故某種程度上限制了它的應用。

高聚物接枝法，分為兩種：一種是化學接枝法，另一種是輻射接枝法。化學接枝法是以化學物質為引發劑，使某些天然或人造纖維產生自由基，進而與含不飽和基的單體接枝共聚，從而引入可交換基團。但此法的缺點是接枝率和單體。此法缺點利用率較低，造成原料浪費、分離困難、產品應用受限等。

輻射接枝法是通過輻射使纖維產生自由基，然後與含不飽和基單體接枝共聚，從而引入可交換基團。近年來應用較多的製備方法除了化學改性法，就是輻射接枝法。