關(guān)于一種新型空氣凈化器凈化濾材

范一鳴

摘要：近年來，隨著人們環(huán)保和健康意識(shí)的增強(qiáng)，尤其是PM2.5的防護(hù)非常重視，防霧霾產(chǎn)品例如空氣凈化器的需求也日益增加。其中，以物理凈化為主要原理的空氣凈化器的凈化效果得到人們的廣泛認(rèn)可，這種類型的空氣凈化器的核心是凈化濾材的性能，制作濾布、濾網(wǎng)的材料成為提高空氣污染物凈化性能的關(guān)鍵之一，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著空氣凈化器的凈化效率的高低。以下是關(guān)于一種新型空氣凈化器凈化濾材--改性殼聚糖纖維絲的制備方法研究，并通過實(shí)驗(yàn)用例來證明其可行性，最后得出相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：改性殼聚糖；纖維絲；凈化器；濾材

近年來，隨著人們環(huán)保和健康意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于空氣中的可吸入顆粒物污染的防護(hù)，尤其是PM2.5的防護(hù)非常重視，防霧霾產(chǎn)品例如空氣凈化器的需求也日益增加。其中，以物理凈化為主要原理的空氣凈化器的凈化效果得到人們的廣泛認(rèn)可，這種類型的空氣凈化器的核心是凈化濾材的性能，制作濾布、濾網(wǎng)的材料成為提高空氣污染物凈化性能的關(guān)鍵之一，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著空氣凈化器的凈化效率的高低。

一、新的改性殼聚糖纖維絲做為空氣凈化器凈化濾材的優(yōu)點(diǎn)

可生物降解的天然纖維凈化效率高，環(huán)保低成本在微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有較粗糙的表面，其比表面積比較大，對(duì)污染顆粒物的吸附性能更佳，而且可自然降解，既能提高空氣凈化器的凈化效率，又環(huán)保且能降低成產(chǎn)成本可生物降解材料的廣泛性甲殼素又名甲殼質(zhì)，學(xué)名幾丁質(zhì)（chitin），是一種直鏈天然氨基多糖，也是目前發(fā)現(xiàn)的唯一帶有正電荷的可食性動(dòng)物纖維。殼聚糖分子鏈上分布著許多羥基、氨基以及部分N-乙?；?，是一種天然高分子多糖聚合物，具有環(huán)境友好，可降解的優(yōu)勢(shì)。殼聚糖及其衍生物對(duì)數(shù)種金屬離子具有螯合吸附作用。每年天然甲殼素的產(chǎn)量高達(dá)千億噸之多，海洋生物中甲殼素產(chǎn)量達(dá)100億噸以上，是自然界中數(shù)量?jī)H次于纖維素的第二大天然生物質(zhì)材料。作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)，甲殼素主要分布于真菌、原生生物和無脊椎動(dòng)物，在高等動(dòng)物則主要分布于關(guān)節(jié)、蹄、足等以及肌肉與骨的接合處。長(zhǎng)期以來，由于甲殼素不溶于水、稀酸、稀堿和大多數(shù)有機(jī)溶劑的惰性特點(diǎn)，一直沒有受到應(yīng)有重視。但近幾十年來，隨著生命科學(xué)和生物技術(shù)的巨大進(jìn)步，甲殼素的理化特性、生物活性和功能特點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，特別是甲殼素及其衍生物作為一種新型原料和材料在制藥、組織工程、精細(xì)化工、材料與紡織工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境保護(hù)諸多方面的應(yīng)用價(jià)值，正在被快速地展現(xiàn)出來，受到人們的廣泛關(guān)注，其產(chǎn)業(yè)化的深度和廣度正在蓬勃推進(jìn)，而其對(duì)人體和環(huán)境有益無害的“綠色原料”特性，更是符合時(shí)代潮流，得到了人們的青睞，展示了非常美好的市場(chǎng)前景。

二、目前市場(chǎng)上空氣凈化器凈化濾材的性能現(xiàn)狀

目前，空氣凈化器濾材的主流材料通常使用聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維等化學(xué)合成纖維，這是因?yàn)檫@些纖維種類成本較低，易于加工，然而存在廢棄的濾材難以處理，不易生物降解，造成二次環(huán)境污染的問題。

對(duì)于可吸入顆粒物的凈化過濾性能評(píng)價(jià)，一方面要求對(duì)污染物的吸附能力較強(qiáng)，另一方面還需要在凈化吸附效率較高的前提下，使得可以吸附容納的顆粒物越多，同時(shí)吸附量就越大，但對(duì)于化學(xué)合成纖維而言，其微觀結(jié)構(gòu)是表面光滑的細(xì)絲狀，比表面積沒有太多的提升空間，只能通過宏觀上的加大加厚濾布用量來提高污染物吸附容量和濾材壽命的問題，而加大濾布的用量，一方面會(huì)增加生產(chǎn)成本，另一方面還會(huì)增加空氣阻力，使空氣凈化器運(yùn)行過程中的噪音變大，用戶體驗(yàn)感變差。

三、新型改性殼聚糖纖維絲的制備方法

（一）原理

殼聚糖（chitosan），又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)（chitin）經(jīng)過脫乙酰作用得到的，化學(xué)名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖。殼聚糖已經(jīng)在醫(yī)藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)展。目前，殼聚糖的生產(chǎn)原料主要來源是蝦蟹殼，先從中提取甲殼素，再脫乙酰得到殼聚糖。

克氏原螯蝦廣泛存在于我國的江河湖澤、水塘濕地以及溝渠等長(zhǎng)年水分充足的地方，由于我國人們具有喜愛蝦蟹等水產(chǎn)品的飲食習(xí)慣，中國蝦殼廢棄物年產(chǎn)量居亞洲第一，其中僅有一小部分被利用，絕大多數(shù)被作為生活垃圾堆積掩埋，造成了嚴(yán)重資源浪費(fèi)，近年來人們對(duì)克氏原螯蝦的需求量逐年增大，與之相應(yīng)的則是每年產(chǎn)生的廢棄蝦殼的數(shù)量也是十分龐大的，這些廢棄蝦殼采集收集方便容易、成本低、甲殼素含量高，如果能夠合理的加以利用使其產(chǎn)生較高價(jià)值，不僅能減少環(huán)境污染，充分利用廢棄物，也是社會(huì)中一筆價(jià)值不菲的財(cái)富。

（二）技術(shù)方案

一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，包括如下制備步驟：

（1）取克氏原螯蝦外殼清洗、烘干、粉碎后加入過量的2mol/L鹽酸溶液浸泡反應(yīng)24h，過濾得到固體，水洗至中性，將所得固體加入過量的50g/L氫氧化鈉溶液在大約90℃-95℃下處理5小時(shí)，過濾后加入適量的無水乙醇洗滌，干燥得到天然甲殼素，稱取所得天然甲殼素和水放入反應(yīng)容器中，攪拌使天然甲殼素分散到水中，形成均勻的懸濁溶液，天然甲殼素和水的重量比為1：（7-8）；

（2）將懸濁溶液升高溫度到50℃，滴加雙氧水和醋酸混合溶液，在40min內(nèi)滴加完；在60-70℃溫度下攪拌3-4h，得低分子量甲殼素半澄清溶液；雙氧水和醋酸混合溶液中，雙氧水的質(zhì)量百分比濃度為50%、醋酸的質(zhì)量百分比濃度為60%；雙氧水和醋酸混合溶液總重量為懸濁溶液重量的3.0-4.5%；

（3）在低分子量甲殼素半澄清溶液中加入氫氧化鈉溶液，保持體系溫度在65-70℃，攪拌20h，形成均一、澄清的低聚殼聚糖溶液；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分比濃度為50%；低分子量甲殼素半澄清溶液與氫氧化鈉溶液的重量比為（1.9-2.1）：1；

（4）將所得低聚殼聚糖溶液加熱到溫度為65-70℃，滴加環(huán)氧乙烷，在40-60min內(nèi)滴加完畢；環(huán)氧乙烷用量為低聚殼聚糖溶液質(zhì)量的5%；

（5）加完環(huán)氧乙烷后，升高溶液溫度到80-85℃反應(yīng)4-5h后，加入分子量調(diào)節(jié)劑繼續(xù)反應(yīng)3-4h，自然冷卻到環(huán)境溫度，在反應(yīng)容器中熟化2-3小時(shí)；冷凍干燥后得到改性殼聚糖；

（6）將改性殼聚糖溶解到適量的醋酸溶劑中制得紡絲溶液，以氫氧化鈉溶液為凝固浴，通過濕法紡絲得到改性殼聚糖纖維絲。

所述的纖維絲直徑在50微米以下。

優(yōu)選的，所述的纖維絲直徑在15納米-50微米之間。

優(yōu)選的，所述的纖維絲直徑在15納米-30微米之間。

優(yōu)選的，所述的纖維絲直徑在50納米-10微米之間。

優(yōu)選的，所述的纖維絲直徑在50納米-200納米之間。

優(yōu)選的，所述的纖維絲直徑為75納米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法的有益效果是：

該改性殼聚糖纖維絲使用了天然纖維素材料，可通過生物降解法進(jìn)行自然降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，具有較高的環(huán)保性能，殼聚糖纖維具有抗菌活性和吸濕性，能夠起到殺菌和調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的作用，通過對(duì)殼聚糖微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行接枝改性，增加了材料的柔韌性以及纖維表面的粗糙度，提高了材料的顆粒物吸附容量和效率，成型容易，成型工藝簡(jiǎn)單，符合空氣凈化器濾材的各種要求，可較好的應(yīng)用于空氣凈化器濾材技術(shù)領(lǐng)域，生產(chǎn)成本較低，市場(chǎng)推廣價(jià)值好。

所得的改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料對(duì)粒徑小于2.5微米的污染物顆粒的過濾效率均在95%以上，符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率也在95%以上。

（三）具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本方法的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1

一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，包括如下制備步驟：

（1）取克氏原螯蝦外殼清洗、烘干、粉碎后加入過量的2mol/L鹽酸溶液浸泡反應(yīng)24h，過濾得到固體，水洗至中性，將所得固體加入過量的50g/L氫氧化鈉溶液在大約90℃下處理5小時(shí)，過濾后加入適量的無水乙醇洗滌，干燥得到天然甲殼素，稱取所得天然甲殼素和水放入反應(yīng)容器中，攪拌使天然甲殼素分散到水中，形成均勻的懸濁溶液，天然甲殼素和水的重量比為1：7；

（2）將懸濁溶液升高溫度到50℃，滴加雙氧水和醋酸混合溶液，在40min內(nèi)滴加完；在60℃溫度下攪拌3h，得低分子量甲殼素半澄清溶液；雙氧水和醋酸混合溶液中，雙氧水的質(zhì)量百分比濃度為50%、醋酸的質(zhì)量百分比濃度為60%；雙氧水和醋酸混合溶液總重量為懸濁溶液重量的3.0%；

（3）在低分子量甲殼素半澄清溶液中加入氫氧化鈉溶液，保持體系溫度在65℃，攪拌20h，形成均一、澄清的低聚殼聚糖溶液；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分比濃度為50%；低分子量甲殼素半澄清溶液與氫氧化鈉溶液的重量比為1.9：1；

（4）將所得低聚殼聚糖溶液加熱到溫度為65℃，滴加環(huán)氧乙烷，在40min內(nèi)滴加完畢；環(huán)氧乙烷用量為低聚殼聚糖溶液質(zhì)量的5%；

（5）加完環(huán)氧乙烷后，升高溶液溫度到80℃反應(yīng)4h后，加入分子量調(diào)節(jié)劑繼續(xù)反應(yīng)3h，自然冷卻到環(huán)境溫度，在反應(yīng)容器中熟化2小時(shí)；冷凍干燥后得到改性殼聚糖；

（6）將改性殼聚糖溶解到適量的醋酸溶劑中制得紡絲溶液，以氫氧化鈉溶液為凝固浴，通過濕法紡絲得到改性殼聚糖纖維絲。

所述的纖維絲直徑在15納米-50微米之間。

經(jīng)測(cè)試，由所得改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料對(duì)粒徑小于2.5微米的污染物顆粒的過濾效率為99%，符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率在98%。

實(shí)施例2

一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，包括如下制備步驟：

（1）取克氏原螯蝦外殼清洗、烘干、粉碎后加入過量的2mol/L鹽酸溶液浸泡反應(yīng)24h，過濾得到固體，水洗至中性，將所得固體加入過量的50g/L氫氧化鈉溶液在大約92℃下處理5小時(shí)，過濾后加入適量的無水乙醇洗滌，干燥得到天然甲殼素，稱取所得天然甲殼素和水放入反應(yīng)容器中，攪拌使天然甲殼素分散到水中，形成均勻的懸濁溶液，天然甲殼素和水的重量比為1：7.5；

（2）將懸濁溶液升高溫度到50℃，滴加雙氧水和醋酸混合溶液，在40min內(nèi)滴加完；在65℃溫度下攪拌3h，得低分子量甲殼素半澄清溶液；雙氧水和醋酸混合溶液中，雙氧水的質(zhì)量百分比濃度為50%、醋酸的質(zhì)量百分比濃度為60%；雙氧水和醋酸混合溶液總重量為懸濁溶液重量的3.5%；

（3）在低分子量甲殼素半澄清溶液中加入氫氧化鈉溶液，保持體系溫度在70℃，攪拌20h，形成均一、澄清的低聚殼聚糖溶液；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分比濃度為50%；低分子量甲殼素半澄清溶液與氫氧化鈉溶液的重量比為2.0：1；

（4）將所得低聚殼聚糖溶液加熱到溫度為70℃，滴加環(huán)氧乙烷，在60min內(nèi)滴加完畢；環(huán)氧乙烷用量為低聚殼聚糖溶液質(zhì)量的5%；

（5）加完環(huán)氧乙烷后，升高溶液溫度到85℃反應(yīng)5h后，加入分子量調(diào)節(jié)劑繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻到環(huán)境溫度，在反應(yīng)容器中熟化3小時(shí)；冷凍干燥后得到改性殼聚糖；

（6）將改性殼聚糖溶解到適量的醋酸溶劑中制得紡絲溶液，以氫氧化鈉溶液為凝固浴，通過濕法紡絲得到改性殼聚糖纖維絲。

所述的纖維絲直徑在15納米-30微米之間。

經(jīng)測(cè)試，由所得改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料對(duì)粒徑小于2.5微米的污染物顆粒的過濾效率為98%，符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率在99%。

實(shí)施例3

一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，包括如下制備步驟：

（1）取克氏原螯蝦外殼清洗、烘干、粉碎后加入過量的2mol/L鹽酸溶液浸泡反應(yīng)24h，過濾得到固體，水洗至中性，將所得固體加入過量的50g/L氫氧化鈉溶液在大約93℃下處理5小時(shí)，過濾后加入適量的無水乙醇洗滌，干燥得到天然甲殼素，稱取所得天然甲殼素和水放入反應(yīng)容器中，攪拌使天然甲殼素分散到水中，形成均勻的懸濁溶液，天然甲殼素和水的重量比為1：8；

（2）將懸濁溶液升高溫度到50℃，滴加雙氧水和醋酸混合溶液，在40min內(nèi)滴加完；在70℃溫度下攪拌4h，得低分子量甲殼素半澄清溶液；雙氧水和醋酸混合溶液中，雙氧水的質(zhì)量百分比濃度為50%、醋酸的質(zhì)量百分比濃度為60%；雙氧水和醋酸混合溶液總重量為懸濁溶液重量的4.0%；

（3）在低分子量甲殼素半澄清溶液中加入氫氧化鈉溶液，保持體系溫度在70℃，攪拌20h，形成均一、澄清的低聚殼聚糖溶液；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分比濃度為50%；低分子量甲殼素半澄清溶液與氫氧化鈉溶液的重量比為2.0：1；

（4）將所得低聚殼聚糖溶液加熱到溫度為70℃，滴加環(huán)氧乙烷，在50min內(nèi)滴加完畢；環(huán)氧乙烷用量為低聚殼聚糖溶液質(zhì)量的5%；

（5）加完環(huán)氧乙烷后，升高溶液溫度到85℃反應(yīng)5h后，加入分子量調(diào)節(jié)劑繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻到環(huán)境溫度，在反應(yīng)容器中熟化3小時(shí)；冷凍干燥后得到改性殼聚糖；

（6）將改性殼聚糖溶解到適量的醋酸溶劑中制得紡絲溶液，以氫氧化鈉溶液為凝固浴，通過濕法紡絲得到改性殼聚糖纖維絲。

所述的纖維絲直徑在50納米-10微米之間。

經(jīng)測(cè)試，由所得改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料對(duì)粒徑小于2.5微米的污染物顆粒的過濾效率為97%，符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率在98%。

實(shí)施例5

一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，包括如下制備步驟：

（1）取克氏原螯蝦外殼清洗、烘干、粉碎后加入過量的2mol/L鹽酸溶液浸泡反應(yīng)24h，過濾得到固體，水洗至中性，將所得固體加入過量的50g/L氫氧化鈉溶液在大約95℃下處理5小時(shí)，過濾后加入適量的無水乙醇洗滌，干燥得到天然甲殼素，稱取所得天然甲殼素和水放入反應(yīng)容器中，攪拌使天然甲殼素分散到水中，形成均勻的懸濁溶液，天然甲殼素和水的重量比為1：8；

（2）將懸濁溶液升高溫度到50℃，滴加雙氧水和醋酸混合溶液，在40min內(nèi)滴加完；在70℃溫度下攪拌3h，得低分子量甲殼素半澄清溶液；雙氧水和醋酸混合溶液中，雙氧水的質(zhì)量百分比濃度為50%、醋酸的質(zhì)量百分比濃度為60%；雙氧水和醋酸混合溶液總重量為懸濁溶液重量的3.0%；

（3）在低分子量甲殼素半澄清溶液中加入氫氧化鈉溶液，保持體系溫度在65℃，攪拌20h，形成均一、澄清的低聚殼聚糖溶液；氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分比濃度為50%；低分子量甲殼素半澄清溶液與氫氧化鈉溶液的重量比為2.1：1；

（4）將所得低聚殼聚糖溶液加熱到溫度為70℃，滴加環(huán)氧乙烷，在60min內(nèi)滴加完畢；環(huán)氧乙烷用量為低聚殼聚糖溶液質(zhì)量的5%；

（5）加完環(huán)氧乙烷后，升高溶液溫度到85℃反應(yīng)5h后，加入分子量調(diào)節(jié)劑繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻到環(huán)境溫度，在反應(yīng)容器中熟化3小時(shí)；冷凍干燥后得到改性殼聚糖；

（6）將改性殼聚糖溶解到適量的醋酸溶劑中制得紡絲溶液，以氫氧化鈉溶液為凝固浴，通過濕法紡絲得到改性殼聚糖纖維絲。

所述的纖維絲直徑為75納米。

經(jīng)測(cè)試，由所得改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料對(duì)粒徑小于2.5微米的污染物顆粒的過濾效率為97%，符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率在98%。

四、結(jié)語

針對(duì)目前空氣凈化器濾材在降低生產(chǎn)成本和顆粒污染物吸附性能方面的不足，以及現(xiàn)今大量克氏原螯蝦的廢棄蝦殼沒有得到有效合理的利用的不足，本方法提供了一種可生物降解的用于空氣凈化器濾材的改性殼聚糖纖維絲的制備方法，旨在使該材料在保持高分子材料聚合物原有性能的基礎(chǔ)上，增加空氣凈化效率和使用壽命，提高了空氣凈化材料的生物降解性能，同時(shí)有效的利用了生活垃圾廢棄物，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。

經(jīng)以上測(cè)試，由所得改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料都符合空氣凈化器過濾材料的效率要求，再生效率全部在97%。是空氣凈化器材新型材料的新選擇。

在當(dāng)今倡導(dǎo)科技、綠色、節(jié)能、環(huán)保、發(fā)展的社會(huì)環(huán)背景下，改性殼聚糖纖維絲制備的空氣過濾材料是改善空氣凈化器優(yōu)選材料，其環(huán)保性、低成本性、節(jié)能型材性主導(dǎo)了凈化器過濾材料的發(fā)展方向，從國家宏觀層面和企業(yè)經(jīng)濟(jì)方面都可創(chuàng)造非凡的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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（作者單位：清華大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校）