利用橫機(jī)管狀織物開(kāi)發(fā)空氣凈化濾芯的研究*

1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2. 青島大學(xué)非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院，山東 青島 266000；3. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技產(chǎn)業(yè)處，江蘇 鹽城 224005

1 空氣凈化技術(shù)的發(fā)展

隨著全球工業(yè)時(shí)代的到來(lái)及人們物質(zhì)生活水平的提高，沙塵暴、霧霾、粉塵、PM2.5、室內(nèi)污染等名詞，成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，室內(nèi)空氣凈化也得到了空前重視。室內(nèi)空氣凈化的方式主要有主動(dòng)吸附和被動(dòng)吸附兩類(lèi)，包括活性炭吸附、負(fù)離子凈化、光催化凈化、多層過(guò)濾除塵、靜電除塵等[1-2]。

以富士康、遠(yuǎn)大等品牌為代表的空氣凈化器，其濾芯主要采用靜電除塵的凈化方式，不需要更換濾芯，使用成本低，但需要經(jīng)常清洗集塵板，否則積塵太多時(shí)易引起火災(zāi)，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臭氧，危害人體健康。以飛利浦、布魯雅爾等品牌為代表的空氣凈化器，其濾芯主要通過(guò)活性炭的物理吸附作用凈化空氣，有一定的吸附甲醛的效果，但活性炭吸附飽和后會(huì)釋放出異味，容易產(chǎn)生二次污染，需要定期更換濾芯，使用成本高。

目前，市場(chǎng)上出售的空氣凈化器，其濾芯均存在一定的不足。開(kāi)發(fā)更加高效、環(huán)保、方便的濾芯，是產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域的重要課題之一。

2 利用橫機(jī)管狀織物開(kāi)發(fā)空氣凈化濾芯的設(shè)想

2.1 常規(guī)空氣凈化用材料

以前，氣體過(guò)濾材料主要用于工業(yè)廢氣的處理，現(xiàn)在則更多地用于室內(nèi)空氣的凈化。通常，機(jī)織物、針織物和非織造物都可作為氣體過(guò)濾材料。機(jī)織氣體過(guò)濾材料具有力學(xué)性能良好、易清洗和孔隙大小可控等優(yōu)點(diǎn)，但其很難形成濾餅。非織造氣體過(guò)濾材料易生產(chǎn)，容塵量大，但是強(qiáng)力低，不耐用[3]。針織氣體過(guò)濾材料的基本結(jié)構(gòu)單元為線(xiàn)圈，其相互串套，織物結(jié)構(gòu)靈活可變，能夠很好地彌補(bǔ)機(jī)織氣體過(guò)濾材料和非織造氣體過(guò)濾材料的不足。

傳統(tǒng)的針織氣體過(guò)濾材料包含針織網(wǎng)格織物、毛絨織物、經(jīng)編間隔織物等。這些織物各有特點(diǎn)，常應(yīng)用在工業(yè)尾氣除塵、粉塵過(guò)濾等方面，但對(duì)PM2.5或有毒氣體的過(guò)濾效果不夠理想[4-6]。

2.2 橫機(jī)管狀織物結(jié)構(gòu)

橫機(jī)管狀織物是紡織業(yè)發(fā)展新材料、新工藝、新產(chǎn)品的突破。結(jié)構(gòu)多樣性是針織技術(shù)的顯著特征，為各種產(chǎn)業(yè)用紡織品提供了優(yōu)勢(shì)條件[7-8]。針織結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)紡織面料及先進(jìn)復(fù)合材料的重要加工手段。

橫機(jī)管狀織物因其三維結(jié)構(gòu)一體成型而適用于多種領(lǐng)域，織物種類(lèi)也變化多樣且結(jié)構(gòu)新穎(圖1)。比如，可形成直徑變化的管狀織物，如圖2所示，其中(a)～(c)所示分別為直徑同向變化、直徑變向變化、直徑規(guī)律變化的橫機(jī)管狀織物；可以通過(guò)改變不同織針部位的編織橫列數(shù)等方式，制得部分管橫機(jī)管狀織物(圖3)，廣泛用作服裝面料、產(chǎn)業(yè)用紡織品等；還可以制得多管橫機(jī)管狀織物，其可以制作復(fù)合材料預(yù)制件等(圖4)。

(a) 結(jié)構(gòu)示意

(b) 實(shí)物

(a) 直徑同向變化

(b) 直徑變向變化

(c) 直徑規(guī)律變化

(a) 每橫列單管

(b) 每橫列多管

(c) 實(shí)物

(a) 多管橫機(jī)管狀織物

(b) 復(fù)合材料預(yù)制件

2.3 橫機(jī)管狀織物空氣凈化用材料

將摻雜金屬氧化物的活性炭纖維棉作為填充物與橫機(jī)管狀織物進(jìn)行組合，形成橫機(jī)管狀織物凈化基體。利用該基體作為空氣凈化裝置的濾芯，在進(jìn)行空氣凈化時(shí)，可通過(guò)光催化凈化、多層過(guò)濾除塵、納米吸附等方式，不僅能夠過(guò)濾PM2.5，還可以有效分解空氣中的甲醛、苯等有毒有害氣體，凈化效果好且持久，無(wú)二次污染。

可用于制備空氣凈化裝置濾芯的橫機(jī)管狀織物有雙層管、單面規(guī)律變化管、雙面規(guī)律變化管及多管等形式，具體如圖5所示。

(a) 雙層管

(b) 單面規(guī)律變化管

(c) 雙面規(guī)律變化管

(d) 多管

3 利用橫機(jī)管狀織物開(kāi)發(fā)空氣凈化裝置

3.1 橫機(jī)管狀織物的制備

橫機(jī)管狀織物因管子部分的直徑可控制，且織物具有柔性，得到了廣泛應(yīng)用，尤其在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域。本文以開(kāi)發(fā)空氣凈化濾芯為目標(biāo)設(shè)計(jì)橫機(jī)管狀織物，采用腈綸紗線(xiàn)，紗線(xiàn)線(xiàn)密度控制在22.7 tex×2左右，橫密控制在30～36縱行/(5 cm)，編織不同結(jié)構(gòu)的橫機(jī)管狀織物，如圖6、圖7所示。

(a) 正面

(b) 側(cè)面

(a) 正面

(a) 正面

3.2 空氣凈化濾芯的制備

納米級(jí)金屬氧化物(如TiO2、SnO2)具有可持續(xù)光催化性，能降解甲醛、苯、甲基藍(lán)等污染物。將摻雜有金屬氧化物的活性炭纖維棉與橫機(jī)管狀織物結(jié)合，在空氣凈化、廢水處理等方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

本文選用TiO2與活性炭纖維棉復(fù)合，并利用超聲波增強(qiáng)TiO2在活性炭纖維棉上的附著性，再將含TiO2的活性炭纖維棉填充于橫機(jī)管狀織物的管子內(nèi)部，形成橫機(jī)管狀織物凈化基體，即空氣凈化濾芯。圖8所示為雙面單層滿(mǎn)管的空氣凈化濾芯結(jié)構(gòu)與實(shí)物，圖9所示為雙面雙層滿(mǎn)管的空氣凈化濾芯結(jié)構(gòu)。

為加強(qiáng)空氣凈化濾芯的過(guò)濾效果，可在濾芯中間加放一組尺寸較小的橫機(jī)管狀織物制成雙重濾芯(圖10)。這樣，利用橫機(jī)管狀織物制得的空氣凈化濾芯可實(shí)現(xiàn)“一次進(jìn)風(fēng)、多重過(guò)濾”的效果。“多重過(guò)濾”體現(xiàn)在多樣的凈化技術(shù)(主動(dòng)凈化+被動(dòng)凈化)和多次的凈化過(guò)濾過(guò)程上。

(a) 結(jié)構(gòu)

(b) 實(shí)物

圖9 雙面雙層滿(mǎn)管的空氣凈化濾芯結(jié)構(gòu)

(a) 單層管雙重濾芯

(b) 雙層管雙重濾芯

3.3 空氣凈化濾芯的凈化原理分析

空氣凈化裝置的品牌和種類(lèi)很多，其凈化原理基本相同。通常來(lái)說(shuō)，空氣凈化原理有兩種，一是過(guò)濾式被動(dòng)吸附，二是主動(dòng)式空氣凈化。被動(dòng)式空氣凈化是指通過(guò)外力將空氣吸入，再經(jīng)濾網(wǎng)或?yàn)V芯，對(duì)空氣起到過(guò)濾粉塵、去除異味、消毒等作用。主動(dòng)式空氣凈化能有效、主動(dòng)地對(duì)空氣進(jìn)行凈化，達(dá)到對(duì)室內(nèi)空氣無(wú)死角凈化的效果。

兩種空氣凈化的方式各有利弊：被動(dòng)式空氣凈化對(duì)去除PM2.5更有效，但對(duì)去除病毒、細(xì)菌、甲醛等污染物的效果不明顯；主動(dòng)式空氣凈化對(duì)去除甲醛等氣態(tài)污染物的效果較好。目前，主流的空氣凈化裝置的濾芯都采用被動(dòng)式空氣凈化的方式，利用濾網(wǎng)+活性炭對(duì)空氣進(jìn)行凈化。

本文開(kāi)發(fā)的空氣凈化濾芯是由橫機(jī)管狀織物內(nèi)置含TiO2的活性炭纖維棉組成的，可充分發(fā)揮被動(dòng)式空氣凈化和主動(dòng)式空氣凈化的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)“織物層→納米纖維層→織物層→織物層→納米纖維層→織物層”的多層凈化，實(shí)現(xiàn)“一次進(jìn)風(fēng)，多重過(guò)濾”的效果，能夠?qū)M2.5及細(xì)菌、甲醛等有毒污染物進(jìn)行有效的凈化，其凈化原理如圖11所示。

同時(shí)，TiO2等金屬氧化物在光照下會(huì)持續(xù)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，利用空氣中的氧氣作為氧化劑將有機(jī)污染物或部分無(wú)機(jī)污染物分解為二氧化碳和水等無(wú)機(jī)小分子(圖12)，凈化效果徹底、持久，進(jìn)一步增強(qiáng)空氣凈化效果。

圖11 空氣凈化濾芯的凈化原理示意(以雙面單管織物為例)

圖12 光催化凈化原理(主動(dòng)凈化)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)利用橫機(jī)管狀織物制備空氣凈化濾芯的研究，發(fā)現(xiàn)橫機(jī)管狀織物結(jié)構(gòu)立體、調(diào)整性強(qiáng)，內(nèi)置含TiO2等金屬氧化物的活性炭纖維棉后，空氣凈化效果良好。另一方面，利用橫機(jī)管狀織物開(kāi)發(fā)空氣凈化濾芯具有可操作性，后期制備空氣凈化裝置也能實(shí)現(xiàn)，具有一定的市場(chǎng)前景。