PM2.5防護紗窗研究進展

王 萌

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣東 廣州 510663)

在汽車尾氣、燃料燃燒、吸煙等的排放物中,存在大量PM2.5細顆粒物,即直徑小于等于2.5μm 的顆粒,其不僅是導致霧霾天氣的重要原因,還因粒徑超小,可被人體直接吸入,誘發炎癥、哮喘等呼吸道和心血管等疾病,影響人體健康。普通紗窗僅能屏蔽蚊蟲,并不能隔離微細顆粒,雖然通過增大網格目數,或在其上貼一層吸附材料,對防塵有一定效果,但是不能有效解決室外霧霾天氣下室內的PM2.5濃度問題。因此,研制一種PM2.5防護紗窗具有應用價值。

1 PM2.5防護紗窗的制造機理

為了使紗窗具有PM2.5捕獲能力,一般是在紗窗基材上復合一層多孔的納米纖維層,這樣既隔離了PM2.5,又使得紗窗具有一定的透明度和透風性,不影響室內采光和通風透氣。納米纖維材料之所以能防護PM2.5,主要是因為納米纖維直徑小,制備成纖維材料例如無紡布時,隨著纖維直徑減小,單位面積內纖維根數會顯著增加,纖維之間的間隙減小,有利于攔截PM2.5；同時纖維直徑的減小,纖維材料的比表面積會顯著增加,提高了超細顆粒與纖維接觸而被吸附的幾率。

2 PM2.5防護紗窗的制備

2.1 靜電紡絲形成納米纖維層

靜電紡絲能夠直接且連續制備直徑很小的微納米纖維,因而形成的纖維材料孔隙率高,且孔隙高度互通；通過對成絲體系和紡絲參數的調整,可有效調控纖維膜的厚度、孔隙分布,改善其過濾效率,因此,靜電紡絲是制備PM2.5防護紗窗的常用方法。林承浩等[1]在紗窗基材至少一面上復合至少一層靜電紡絲納米纖維材料層,靜電紡絲纖維之間無規則交錯的結構,使之形成的空隙較小,從而為過濾細顆粒物提供了基礎。趙明良等[2]采用熱塑性聚氨酯的二甲基甲酰胺溶液進行靜電紡絲,將其沉積在玻璃纖維紗網上,制得可隔離PM2.5的防霧霾紗窗。

為了調整納米纖維層的通風換氣性、降低過濾阻力,納米纖維層的纖維從內到外直徑可不同；外層使用小直徑纖維,有利于阻隔PM2.5,而內層纖維直徑比較大,有利于氣流通過。丁彬等[3]通過電場逐級遞增/遞減技術以及環形梯度溶劑蒸汽快速去除裝置,將紡絲液通過靜電紡絲在紗窗基材上沉積,使得納米纖維層直徑分布在垂直于幅寬方向上呈遞增或遞減排列,制得的納米纖維復合紗窗材料如圖1所示,可有效除去空氣中的PM2.5、花粉等細小顆粒物,具有較好的通風換氣性能,且高效低阻的性能優勢,適合室內空氣過濾除塵。

圖1 納米纖維復合紗窗材料

雖然靜電紡絲能制得具有PM2.5隔離作用的納米纖維層,但因納米纖維與紗窗基材的結合強度差,清洗時納米纖維層易剝離,因而不利于清洗和反復使用。王迎等[4]在玻璃纖維窗紗上利用靜電紡絲方法沉積聚丙烯腈納米纖維膜制得PM2.5防護紗窗,雖然聚丙烯腈含有極性基團,對空氣中極性有機顆粒具有吸附作用,可提升過濾效率,但因聚丙烯腈與玻璃纖維的結合強度差,成品紗窗無法進行清洗和反復使用。為了提高納米纖維層和紗窗基材的結合牢度,一般利用粘合成分促進兩者粘合。楊春宇[5]制備了一種紗窗材料,先將含電氣石的紡絲液經靜電紡絲技術使得納米纖維長絲自由、均勻地噴灑在紗窗基材上,得到厚度均勻的納米纖維膜；再將顆粒狀固體熱壓膠微顆粒均勻地涂布在納米纖維膜上,然后在纖維膜載體的表層覆蓋上一層篩網；最后熱粘合,即得紗窗材料。

另外,為了賦予紗窗多功能性,靜電紡絲液中會加入功能助劑,或者在紗窗材料中設置功能層或采用其他助劑進行功能整理。吳春芃等[6]將高分子和二氧化鈦納米顆粒共混后進行靜電紡絲沉積于紗窗基材上,制備的紗窗具有很好的疏水性,能阻擋雨水對室內的侵襲,并能自然清洗紗窗,且可光催化降解甲醛等有害氣體,保持室內空氣新鮮。何丹農等[7]利用靜電紡絲將納米纖維層沉積在窗紗基材,再將纖維素納米晶體涂敷于納米纖維層表面,形成具有網絡結構的抗菌纖維層,最后經超聲波復合法將保護層與抗菌纖維層、紗窗基材熔接,制得的紗窗如圖2所示。其中納米纖維素晶體抗菌層能夠有效截留空氣中的固體懸浮物、膠體、細菌等,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌率達99%。

圖2 超聲波復合法紗窗

溶劑型靜電紡絲因采用大量有機溶劑,會造成污染；水溶性聚合物進行靜電紡絲,雖然不使用化學試劑,但產品親水易造成溶脹、水解,因此需要抗水解改性。余煜璽等[8]將水性聚氨酯和聚乙烯醇均溶于去離子水,并加入水乳化型的無溶劑聚異氰酸酯作為固化劑,共混后進行靜電紡絲,然后熱交聯使得納米纖維層由水溶性轉變成非水溶性制得的紗窗如圖3所示。李芳穎等[9]將聚乙烯醇/戊二醛共混,利用戊二醛中的醛基與聚乙烯醇的羥基發生縮醛反應,降低聚乙烯醇納米纖維膜的水解性。任倩等[10]分別利用聚丙烯酸、戊二醛和可溶性淀粉對水溶性PVA 進行共混交聯改性,提高耐水解和耐濕溶脹性能。

圖3 非水溶性紗窗

2.2 其他制備PM2.5防護紗窗的方法

除了靜電紡絲外,還有如下方法：(1)原位生長納米纖維材料。魏取福等[11]將紗窗基材浸入細菌纖維素菌液,原位生成細菌纖維素納米纖維,制得的紗窗如圖4所示,對PM2.5的過濾效率為93%～99%。(2)抽濾法。彭新生等[12]將氧化纖維素經過抽濾凝膠化成膜的方法在基底上得到纖維多孔薄膜；然后倒扣在裝有PDMS溶液的培養皿頂端上,置于烘箱加熱,得到表面疏水的纖維多孔薄膜,可作為阻擋PM2.5的紗窗阻擋層。(3)纖維的負壓黏合法。吳睿等[13]先在膜載體表面噴灑強力液體固化膠,然后將納米纖維短絲噴灑在膜載體上,經負壓反向吸絲加固,最后熱軋處理,即制得一種納米紗窗。

圖4 原位生長納米纖維紗窗

3 結語

雖然PM2.5防護窗紗取得一定成效,但是實際使用時,雨滴和日曬對紗窗隔離效果影響如何,隨著長時間使用微小顆粒吸附在窗紗表面,對PM2.5隔離效果和使用壽命影響如何,均缺少相關研究；另外也缺少紗窗PM2.5測試方法的研究,沒有統一標準確定PM2.5隔離效果檢測。以上方面均需研究人員進一步研究,以便推進PM2.5防護紗窗工業化和普及使用。