基于汉麻秆芯的新型防化材料及其对化学战剂的自解吸机理

化学战剂防护是生化防护体系的重要组成部分，对战争胜负具有决定性作用。高性能生化防护装备的制备取决于防护材料的性能。我军现行的透气式防化服、防毒面罩的制造，由于关键的活性炭吸附材料比表面积小、吸附活性低、结构不合理，存在对化学战剂的吸附能力低、透气性差、吸附饱和后洗消困难等问题。本项目利用汉麻秆芯具有的天然纳米级微孔结构，经过碳化和活化工艺制备比表面积大于2000m2/g的超级活性炭材料；通过改性处理使ZnO、TiO2、CaO、MgO等纳米级金属氧化物溶附于活性炭中，制备对化学战剂具有自解吸功能的新型防化材料；并与具有单向导湿功能的PTFE防水透湿薄膜、阻燃Kevlar纤维等复合，研制透气式多功能生化防护服装面料，以实现对化学战剂的有效消除。可用于野战阵地环境污染、单兵防护及反恐突发事件环境污染治理吸附与人员防护，对提高我军防护装备水平具有重要的军事意义和学术价值。

化学战剂防护是生化防护体系的重要组成部分，而高性能生化防护装备的制备取决于防护材料的性能。我军现行的透气式防化服、防毒面罩的制造，由于关键的活性炭吸附材料比表面积小、吸附活性低、结构不合理，存在对化学战剂的吸附能力低、透气性差、吸附饱和后洗消困难等问题。本项目利用汉麻秆芯具有的天然纳米级微孔结构，经过合适的活化工艺（活化剂ＫＯＨ，碱炭比4∶1、活化温度700℃、活化时间1h）成功出制备比表面积为1924.08m2/g，总孔容为1.01cm3/g、平均孔径为1.９nm的超级活性炭。通过N2吸附曲线、FE-SEM分析可知该活性炭微孔结构丰富（微孔率：81.19%）、存在超微孔，且孔径分布范围较窄；FT-IR分析表明，活性炭表面含有酚羟基、羧基、胺基等多种官能团。为了提高该活性炭对化学战剂的吸附和自解吸能力，通过改性处理将MgO等纳米级金属氧化物溶附于活性炭中。实验证明负载纳米氧化镁汉麻秆芯活性炭中的纳米氧化镁的平均粒径尺寸越小，结晶度越差，表面分散性越好，比表面积越大。综合考虑负载纳米氧化镁汉麻秆芯活性炭的表面形态、产率以及纳米氧化镁的平均粒径尺寸和结晶度的结果，得出制备负载纳米氧化镁的最佳试验工艺为：镁离子浓度为0.4mol/L，钠离子浓度为0.6mol/L，反应时间为20min，反应温度为60℃。制备出的氧化镁负载型汉麻杆芯活性炭，对对氧磷、模拟芥子气等化学战剂都具有优良的吸附和自解吸能力。实验证明反应时间、粒径尺寸、投加量、反应温度等因素对氧化镁负载型汉麻杆芯活性炭的吸附降解性能均有一定的影响，在平均粒径尺寸为40nm时，该活性炭对于甲基橙和对氧磷的最大降解率可以达到90%和94%；在投加量为1.00g时，该活性炭对于甲基橙和对氧磷的最大降解率可以达到91%和95%；在反应温度达到40℃时，该活性炭对于甲基橙和对氧磷的最大降解率可以分别达到93%和98%；而光照对该活性炭的吸附降解性能几乎没有影响。其中，氧化镁负载型汉麻杆芯活性炭对对氧磷的吸附降解机理是通过纳米氧化镁产生的过氧离子O22-对对氧磷分子结构中最薄弱的P-O键进行攻击，导致该键断链，进而使得对氧磷被降解。本研究在制备对化学战剂具有自解吸功能的新型防化材料，实现对化学战剂的有效消除，提高我军防护装备水平方面具有重要的实际应用价值和学术价值。