芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的制備及其過濾性能研究

摘 要：通過DMSO/KOH/H2O體系對對位芳綸漿粕表面進行活化處理，復(fù)合間位芳綸沉析纖維后，共同作為三維支撐骨架，并以4A型分子篩為吸附劑，通過濕法成形，制得芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料。結(jié)果表明，當(dāng)對位芳綸漿粕、間位芳綸沉析纖維質(zhì)量及比例不變，分子篩添加量為1.5 g時，芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料綜合性能最佳，斷裂應(yīng)力為8 MPa，透氣度6 μm/（Pa·s），對PMs和甲醛的去除率分別達99.99%和93.17%。

關(guān)鍵詞：芳綸纖維；分子篩；過濾效率；吸附特性

中圖分類號：TS761. 2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 103

脂肪族、芳香族、鹵代烴、醛、酮、醇等揮發(fā)性有機物 （volatile organic compounds，簡稱 VOCs） 是石油石化、醫(yī)藥化工、表面涂裝等行業(yè)的常用試劑［1-2］。生活中常見的VOCs包括甲醛、苯、甲苯等，是形成PMs的前體物。由于分子質(zhì)量小、沸點低、易揮發(fā)等特點，VOCs 極易逸散到空氣中。吸入大量VOCs 會導(dǎo)致人體免疫水平失調(diào)，出現(xiàn)頭暈、頭痛、嗜睡、無力、胸悶的癥狀，甚至造成肝臟和造血系統(tǒng)損傷，以及皮膚和消化道疾病［3］。據(jù)報道，我國約有68% 的人體疾病與 VOCs 污染有關(guān)，全球每年約有280萬人直接或間接死于VOCs污染［4］。VOCs的主要來源分為2類：①固定源，包括化石燃料、生物質(zhì)燃料的燃燒等工業(yè)過程；②流動源，包括機動車、船、飛機等交通工具產(chǎn)生的排放物。此外，VOCs排放到大氣中，會在光照等外界因素作用下與臭氧等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成難以治理的新VOCs［5］。因此，VOCs被列為“十四五”生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域約束性指標(biāo)之一。

顆粒物 （PMs） 是另一種常見的空氣污染成分。對PMs的組成及來源研究表明，約58％的PMs來自于工業(yè)污染，包括火力發(fā)電、生物質(zhì)燃燒及垃圾焚燒的排放等，且PMs通常與VOCs相伴而生，形成難治理的固氣復(fù)合污染物［6］。近年來，我國空氣污染防治工作成效顯著，大氣中二氧化硫、氮氧化物等主要污染物的年均濃度已逐步下降，但PMs和VOCs造成的空氣污染問題仍然存在［7-8］。為此，開發(fā)可同時處理VOCs/PMs污染的高性能材料也成為當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)階段，有 2 類常用于處理含 VOCs/PMs 氣體的典型過濾材料，一種是多孔材料，包括活性炭、玻璃纖維、多孔陶瓷等，主要通過一定尺寸的孔隙對污染物進行篩分；另一種是纖維基空氣過濾材料，包括化學(xué)纖維、金屬纖維制品等；其中，纖維對空氣的滑移效應(yīng)可顯著降低空氣流動阻力；因此，纖維基空氣過濾材料具有較低的壓降和更高的過濾效率［9］。通常，纖維基空氣過濾材料主要依靠攔截效應(yīng)、擴散效應(yīng)、慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)等對空氣中的VOCs/PMs進行吸附和過濾。李永建等［10］ 通過靜電紡絲制得尼龍6納米纖維，以其進一步制備的納米纖維氈對污染物的過濾效率達 99.993%。然而，有機材料在高溫、腐蝕性環(huán)境中易被氧化腐蝕，應(yīng)用受限［11］。Ahmad等［12］ 通過離心紡絲與煅燒工藝制備二氧化硅 （SiO2）納米纖維，其在600 ℃的高溫下對粒徑400 nm雜質(zhì)粒子的過濾效率達75.89％；但存在脆性較大，耐折性、耐磨性較差的問題。另外，也有研究將陶瓷纖維應(yīng)用于空氣過濾領(lǐng)域。玄武巖纖維具有較好的耐熱性、耐腐蝕性、耐氧化性和尺寸穩(wěn)定性，能夠在300 ℃下連續(xù)工作，利用其制備的材料對粒徑≥７ μm的微顆粒物的過濾效率超過95%，可用于高溫?zé)煔膺^濾［13］。

分子篩是一類由硅、鋁、氧等元素組成的、具有微孔結(jié)構(gòu)的球狀或薄膜狀無機吸附劑，由于吸附能力強、選擇性高、耐高溫，其在空氣凈化方面受到廣泛關(guān)注［14］。邢娜等［15］使用分子篩對NO和NO2進行吸附；結(jié)果表明，O2的存在可明顯促進NO在分子篩 （特別是Na型分子篩）表面的吸附；這主要是由于O2與NO生成的NO2可與NO共吸附在分子篩上，Na+對NO2?和NO3?的穩(wěn)定作用使Na型分子篩對NOx的吸附能力大于同種類的 H 型分子篩，飽和吸附量達 0.061 mmol/g，并在相對較高溫度下才能完成脫附。羅小會［16］ 通過涂布法制備負載分子篩的蜂窩陶瓷吸附材料；結(jié)果表明，負載分子篩ZSM-5-300的蜂窩陶瓷適用于吸附中低濃度VOCs，去除率達95%以上。4A型分子篩的孔徑分布均勻，與其他類型的分子篩相比，其在較高溫度條件下仍能保持良好的吸附能力。

對位芳綸漿粕是一種芳綸纖維差別化產(chǎn)品，表面呈毛絨狀，長纖維長度 1.0～3.0 mm，直徑 10.0 μm，微纖維長度0.1～2.0 μm，比表面積7～12 m2/g，纖維的軸向尾端呈針尖狀，可經(jīng)受400 ℃高溫［17-19］。對位芳綸紙基材料特有的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［20］，使其負載分子篩后，不僅可用于去除空氣中的PMs，同時有助于吸附通過分子質(zhì)量較小的VOCs類污染物，實現(xiàn)同時處理VOCs/PMs的功能一體化。

基于上述材料特性，本研究首先通過DMSO/KOH/H2O 體系對對位芳綸漿粕進行表面活化預(yù)處理；隨后，將4A型分子篩通過物理截留和氫鍵、黏附等作用負載于對位芳綸漿粕/間位芳綸沉析纖維構(gòu)建的紙基三維骨架上，從而賦予芳綸纖維紙基材料吸附特性，制備具有集PMs過濾和VOCs （以甲醛為模型物）吸附于一體的紙基過濾材料。

1 實 驗

1. 1 實驗原料與試劑

對位芳綸漿粕，細小纖維含量35%，河北硅谷化工有限公司；間位芳綸沉析纖維，含水量 78.33%，泰和新材集團股份有限公司；4A 型分子篩，平均粒徑 2 μm，孔徑 0.42 nm，比表面積 600 m2/g，山東隆泰新材料有限公司；氫氧化鉀 （KOH），AR，成都市科隆化學(xué)品有限公司；二甲基亞砜（DMSO），成都市科隆化學(xué)品有限公司；去離子水、含甲醛霧氣，實驗室自制。

1. 2 實驗儀器與設(shè)備

標(biāo)準纖維解離器 （990270，瑞典Lamp;W公司），紙頁成型器（TD10-200，咸陽通達輕工設(shè)備有限公司），紙頁壓榨機 （油壓機，TD11-H，咸陽通達輕工設(shè)備有限公司），格萊爾透氣度儀 （TQD-05，濟南思克測試技術(shù)有限公司），紙張厚度測定儀 （DC-HJY03，四川 長 江 造 紙 儀 器 廠）， 紙 張 塵 埃 勻 度 儀 （Micro Scanner LAD07，加拿大OpTest公司），微機控制電子萬能試驗機 （WDW-005，濟南鼎測試驗設(shè)備有限公司），場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，SU8100，日本理學(xué)公司），傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，VERTE X70，德國 Bruker 公司），X 射線衍射儀 （XRD，D8ADVANCE，德 國 Bruker 公 司），精 密 鼓 風(fēng) 干 燥 箱（BPG-9240A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司），濾料綜合性能測試臺 （LZC-K1，蘇州華達儀器設(shè)備有限公司），手持式氣體質(zhì)量檢測儀（SENSOLOGY MEF-550，上海智覓智能科技有限公司）。

1. 3 對位芳綸漿粕預(yù)處理

稱取一定質(zhì)量的對位芳綸漿粕，在 DMSO/KOH/H2O （質(zhì)量比600∶1∶100，添加順序為KOH、H2O、DMSO） 體系中磁力攪拌 4 h 后取出，用去離子水疏解，洗滌至表面pH值呈中性，干燥后得到表面活化的對位芳綸漿粕。

1. 4 芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的制備

確定芳綸纖維紙定量為107 g/m2，控制表面活化的對位芳綸漿粕和間位芳綸沉析纖維質(zhì)量比 5∶1，通過濕法成形制備芳綸纖維紙。具體操作步驟如下：稱取2.8 g表面活化的對位芳綸漿粕纖維、0.56 g間位芳綸沉析纖維，加水分散，得到芳綸纖維分散液；疏解25 000 r，得到芳綸漿料；將芳綸漿料倒入紙頁成型器中，脫水形成濕紙幅，并在濕紙幅雙面墊上毛氈，放入紙頁壓榨機中，在 4 MPa 壓力下冷壓 5 min 后，在105 ℃下干燥10 min，制備得到芳綸纖維紙（材料1#）。

保持表面活化的對位芳綸漿粕和間位芳綸沉析纖維質(zhì)量和比例不變，加入不同質(zhì)量分子篩，采用相同方法，制備芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料。具體操作步驟如下：稱取1.5～3.0 g分子篩，加入芳綸纖維分散液中，共同疏解25 000 r，得到混合漿料；將混合漿料倒入紙頁成型器中，在相同實驗方法和工藝參數(shù)下，制備得到芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料（材料2#～5#）。芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料各組分添加量及分子篩留著率如表1所示。

1. 5 材料表征

使用FESEM對材料的表面及截面形貌進行觀測，測試前進行120 s噴金處理，加速電壓15～20 kV；使用FT-IR表征材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)；使用XRD表征材料的結(jié) 晶 結(jié) 構(gòu) ； 使 用 紙 張 塵 埃 勻 度 儀 （Micro-Scanner LAD07，加拿大OpTest公司）對材料的勻度指數(shù)進行測試；根據(jù) GB/T 451.3—2002、GB/T 22901—2008 測定材料的厚度、透氣度；使用微機控制電子萬能試驗機對材料的力學(xué)性能進行測試，樣品長度×寬度=10 mm×20 mm，拉 伸 速 率 10 mm/min，每 個 樣 品 測10次，結(jié)果取平均值。

使用濾料綜合性能測試臺測試材料對不同粒徑PMs的截留效果，樣品有效測試面積為100 cm2，流量32～85 L/min。采用過濾效率 （η，%）、壓降 （?P，Pa） 及質(zhì)量因子 （QF，Pa?1） 評價材料的過濾性能，計算方法如式（1）～式（4）所示。根據(jù)式（1）計算得到空氣流速為5.33～14.17 cm/s。

使用手持式氣體質(zhì)量檢測儀測量材料對甲醛的去除效果，去除率（q，%）的計算方法如式（5）所示。

2 結(jié)果與討論

2. 1 芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料表觀形貌

2. 1. 1 宏觀形貌

圖1為分子篩及不同分子篩添加量下制得的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的光學(xué)照片。從圖1（a）可以看出，本研究所用4A型分子篩呈粉末狀，直接利用其進行吸附，回收利用較困難，需通過一定的骨架結(jié)構(gòu)將其固定化后利用，如紙基材料的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。圖1（b）～圖1（f）為芳綸纖維紙、芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的光學(xué)照片 （材料1#～5#）。從圖1（b）～圖1（f）可以看出，隨著分子篩添加量的增加，材料的外觀顏色由淡黃色逐漸變?yōu)闇\白色。如圖1（b）所示，芳綸纖維紙（材料1#）呈淡黃色；如圖1（c）所示，當(dāng)分子篩添加量為1.5 g時，材料2#中的分子篩在紙基材料中呈聚集態(tài)分布，與其他材料相比，表觀勻度較差，這是由于分子篩在紙基材料中難以均勻分布；當(dāng)分子篩添加量為3.0 g時，從圖1（f）可以觀察到，材料5#中的分子篩填充了芳綸纖維間的大量孔隙，并對芳綸纖維形成了一定的包裹作用，與材料1#相比表觀勻度有所提高。

2. 1. 2 微觀形貌

圖2為不同分子篩添加量的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的FESEM圖。如圖2（a）和圖2（b）所示，材料 1#的表面和截面 FESEM 圖可以看出，芳綸纖維紙具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)；同時，經(jīng)過表面活化的對位芳綸漿粕具有較多粗糙的表面微纖絲，為分子篩的負載提供了附著位點。從圖 2（c）和圖 2（d）可以看出，材料2#中的分子篩以聚集的團簇形式黏附在對位芳綸漿粕及間位芳綸沉析纖維四周，且分布不均勻；從圖 2（e）～圖 2（f）可以看出，當(dāng)分子篩添加量較多時，材料5#中的分子篩可以緊密填充在芳綸纖維交織構(gòu)成的三維孔隙中及纖維表面上，分布均勻性較材料2#也有了一定的提升，這與 2.1.1 中的宏觀形貌表征結(jié)果相符。此外，從圖2（e）可以看出，過量的分子篩覆蓋了芳綸纖維紙原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其孔隙率有所下降，可能會對材料的過濾和吸附性能造成一定影響。

2. 2 分子篩添加量對芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料理化性質(zhì)的影響

2. 2. 1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

對芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果見圖 3（a）。從圖 3（a）可以看出，分子篩、材料1#與材料5#的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在材料1#的FT-IR譜圖中，1 200～1 700 cm?1處的吸收峰對應(yīng)芳綸纖維特征峰，1 640 cm?1處是芳綸纖維C==O伸縮振動峰，1 510 cm?1處是芳綸纖維 N—H 彎曲振動峰，1 307 cm?1處是芳綸纖維C—N伸縮振動峰［21］。添加分子篩后，芳綸纖維特征峰強度均有所減弱，從材料5#的FT-IR譜圖中可以看出，457 cm?1處出現(xiàn)了Si—O彎曲振動峰，542 cm?1處出現(xiàn)了雙環(huán)振動峰，660 cm?1處存在1個峰強較弱的Si—O伸縮振動峰，1 000 cm?1附近則存在 1 個峰強較強的 Si—O 反對稱伸縮振動峰［22］，說明材料5#中存在分子篩組分，證明表面活化預(yù)處理的對位芳綸漿粕可以使分子篩附著固定于芳綸纖維紙基材料中。

2. 2. 2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)

對芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進行定性測試，結(jié)果如圖3（b）所示。從圖3（b）可以明顯看出，2θ=20°～22.5° （20°、23°） 處的峰是芳綸纖維的特征峰［23-24］，2θ=25°～35°范圍內(nèi) （分別位于27°、30°、34°處） 有 3 個尖銳的強峰，歸因于分子篩的特征峰［23］；在圖3（b）中還可以觀察到，隨著分子篩添加量的逐漸增大，上述 3 個峰的強度逐漸增強，說明材料中存在結(jié)晶度大且結(jié)晶結(jié)構(gòu)較完整的分子篩。

圖3（c）展現(xiàn)了不同分子篩添加量下制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的厚度及勻度。如圖3（c）所示，隨著分子篩添加量的增加，材料厚度變化不大，原因可能是分子篩為粒徑約 2 μm 的類立方體顆粒，其在紙張成形過程中留著較困難而易流失。為解決此問題，本研究從2個角度考慮提高分子篩的留著率。首先，在紙張成形過程中，利用孔隙較小的濾網(wǎng)對分子篩進行截留；其次，利用DMSO/KOH/H2O溶液對對位芳綸漿粕進行表面活化預(yù)處理，并向其中加入具有優(yōu)異的液相分散性和復(fù)合增強效果的間位芳綸沉析纖維，以改善分子篩與芳綸纖維結(jié)合力差的問題，增強對位芳綸漿粕對分子篩的固定化能力，促進分子篩在成形過程中均勻分散，提高紙基材料的勻度。

2. 2. 3 勻度

從圖 3（c）可以看出，芳綸纖維紙的勻度指數(shù)為9。添加分子篩打亂了芳綸纖維之間原本的交織間距，使芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的勻度有所下降。然而，隨著分子篩添加量增加，芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料勻度指數(shù)逐漸上升；這是因為分子篩為微納米級的多孔顆粒，具有較大的比表面積和良好的分散性，在纖維間可以起到“隔離”作用，減少纖維因氫鍵或機械纏繞導(dǎo)致的絮聚。此外，在濕紙幅成形階段，分子篩的多孔結(jié)構(gòu)可吸附部分水分，延緩脫水，使纖維有更長時間調(diào)整成形位置，避免因快速脫水導(dǎo)致的纖維堆積不均的問題，從而調(diào)節(jié)紙基材料的勻度。與材料4#相比，當(dāng)分子篩添加量為3.0 g時，材料5#的勻度指數(shù)略微降低至21。這是由于分子篩添加量較大時不僅會填充紙基材料的孔隙，還會覆蓋在紙基材料的纖維表面，在一定程度上可以提高紙基材料的勻度，使材料5#在多重因素影響下，勻度仍高于未添加分子篩的芳綸纖維紙（材料1#）。

2. 2. 4 透氣度

圖3（d）展現(xiàn)了不同分子篩添加量下制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的透氣度。如圖 3（d）所示，隨著分子篩添加量的增加，材料的透氣性能明顯提高。芳綸纖維紙的透氣度為6 μm/（Pa·s）左右，隨著分子篩添加量的逐漸增加，材料的透氣度最高可達35 μm/（Pa·s）。其主要原因可能是芳綸纖維紙中的對位芳綸漿粕經(jīng)過了表面活化預(yù)處理，纖維表面分子鏈結(jié)構(gòu)打開，纖維間黏結(jié)力較高，透氣度較低；分子篩的加入可以減少纖維間黏結(jié)，使纖維交織所形成的孔隙變大，且分子篩本身有較高的孔隙率，其結(jié)構(gòu)上有大量均勻的孔道和排列整齊的空穴，因此促進了材料透氣度的提升。

2. 2. 5 力學(xué)性能

良好的機械性能有助于材料抵抗過濾過程中的高壓降沖擊。對芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的機械性能進行表征，結(jié)果如圖4所示，從圖4（a）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看到，隨著拉伸應(yīng)變的增加，不同分子篩添加量的紙基材料拉伸應(yīng)力均先逐步增加后減小，這是由于隨著應(yīng)力的不斷傳遞，原本交織的纖維網(wǎng)絡(luò)被拉扯，直至纖維被拉伸斷裂后，強度劇烈下降。圖4（b）～圖4（d）分別為不同分子篩添加量芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的拉伸斷裂應(yīng)力、斷裂伸長率及楊氏模量。從圖4（b）～圖4（d）可以觀察到，隨著分子篩添加量的增加，芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料斷裂應(yīng)力大幅下降，當(dāng)分子篩添加量為1.5 g時，斷裂應(yīng)力為8 MPa，當(dāng)分子篩添加量為3.0 g時，降低至2 MPa；且斷裂伸長率和楊氏模量均有所降低。

分析材料力學(xué)強度隨分子篩添加量而下降的原因，首先，添加分子篩影響了對位芳綸漿粕之間的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維間緊密的交織網(wǎng)絡(luò)被分子篩阻隔，變得較為稀疏；其次，分子篩的加入會使纖維間的氫鍵結(jié)合力降低。盡管隨著分子篩的添加量增加，材料的力學(xué)性能會有所降低。但當(dāng)分子篩添加量為2.0 g時，芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的斷裂應(yīng)力為7 MPa，與傳統(tǒng)濾紙相比仍較高，可用作吸附過濾材料。

2. 3 分子篩添加量對芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料過濾性能的影響

2. 3. 1 PMs

圖5為不同分子篩添加量下制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料對不同粒徑PMs的過濾效率。從圖5可以看出，5種材料的PMs去除率均隨PMs粒徑的增大而增加。如圖 5（a）所示，分子篩添加量為 1.5 g 的材料2#的過濾效果最佳，在常溫下對PMs的去除率均在99.99% 以上；隨著分子篩添加量的增加，分子篩分布更加均勻，然而過濾效率卻發(fā)生下降；分子篩添加量為3.0 g的材料5#在常溫下對PM0.3的去除率為99.26%，對PM1.0的去除率為99.51%，與材料2#相比有所降低。

圖5（b）為材料存放7天后對PM2.5的過濾效率。從圖5（b）可以看出，5種材料相較于存放前的初始過濾效率均有下降。存放7天后，材料2#對PM2.5的去除率降低至 96.63%。隨著分子篩添加量的增加，材料對PM2.5的去除率呈上升趨勢，材料5#對PM2.5的去除率為98.10%；這說明材料中分子篩添加量越多，材料的過濾效果長期穩(wěn)定性越強。

材料的過濾性能優(yōu)劣不僅需要考察對雜質(zhì)粒子的去除能力，其在過濾過程中的前后壓差也是較為重要的因素，一般選用質(zhì)量因子（QF）進行表征。圖5（c）顯示了不同分子篩添加量下制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料對不同粒徑PMs的QF。由圖5（c）可知，芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料雖然有優(yōu)異的 PMs 去除率，但其也有較高的壓降。分子篩添加量為1.5 g時，材料2#對粒徑gt;5.0 μm的PMs的QF維持在0.023 Pa?1。隨著分子篩添加量的增加，材料的壓降有所降低，QF也隨之降低。分子篩添加量為3.0 g時，材料5#壓降降低至469 Pa，對PM0.3的QF為0.009 84 Pa?1。這表明分子篩的添加可以降低材料的壓降，但會使其過濾效果變差。

2. 3. 2 甲醛

圖5（d）為不同分子篩添加量下制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料對甲醛的去除率。芳綸纖維是完全絕緣物質(zhì)，所以制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料表面可以產(chǎn)生靜電吸附力，對有毒有害氣體的吸附效果較強。如圖5（d）所示，芳綸纖維紙對甲醛的去除率達 93.73%。通常情況下，分子篩對污染物具有較好的吸附效果。這是由于分子篩的孔隙結(jié)構(gòu)提供了較大的比表面積，可以通過范德華力將污染物分子吸附在其表面上；其次，分子篩孔隙結(jié)構(gòu)中的陽離子或酸性位點可以與污染物分子中的負電荷或親核位點發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵。在分子篩添加量為1.5 g時，芳綸纖維的靜電吸附力和分子篩共同作用，使甲醛去除率達93.17%。但隨著分子篩添加量的增加，材料對甲醛吸附效果逐漸降低，分子篩添加量為 3.0 g 時，材料5#的甲醛去除率降至55.70%，這表明分子篩的過量加入破壞了芳綸纖維紙與甲醛間較強的靜電吸附力。

2. 4 芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的過濾機理分析

圖6是芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的過濾機理圖。空氣過濾材料要求其能將PMs從流動氣流中分離，并捕捉氣流中的微粒雜質(zhì)，去除小分子有機物［25］。過濾過程可以分為2類：一類是大容量分離；另一類是純化，即除去雜質(zhì)。其中，過濾機理主要分為攔截、擴散、靜電吸附、分子間作用及慣性碰撞和重力沉降等［26］。芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料的制備以造紙濕法成形工藝為基礎(chǔ)，水作為載體，使芳綸纖維和分子篩在水中分散，再經(jīng)過一系列工藝得到均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過此方法制備的過濾材料具有高過濾效率及容塵量［27］。芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料吸附PMs和VOCs （以甲醛為模型物） 的機理包括以下 4 個方面：①由于過濾材料與流動氣流的慣性碰撞，當(dāng)PMs質(zhì)量較大或者氣流速度較大時，PMs因慣性，來不及隨著氣流轉(zhuǎn)向繞過纖維，導(dǎo)致其運動軌跡發(fā)生變化而脫離流線向纖維靠近，并碰撞纖維沉積在過濾材料表面［28］；②對位芳綸漿粕之間的交織作用和靜電吸附力可以對PMs和甲醛產(chǎn)生截留效果［29］；③芳綸纖維交織及分子篩填充所形成的紙張具有三維結(jié)構(gòu)，對 PMs 和甲醛具有截留效果［30］；④分子篩具有較高的孔隙率，表面還有大量活性吸附位點，可以與PMs和甲醛結(jié)合，從而固定在分子篩表面［31］。

3 結(jié) 論

以芳綸纖維為三維骨架、分子篩為吸附劑，通過造紙濕法成形制備了芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料，并對其力學(xué)性能、微觀形貌和吸附性能進行了探究。

3. 1 DMSO/KOH/H2O 處理可以促進對位芳綸漿粕纖維表面的活化，使對位芳綸漿粕纖維與分子篩表面的Al3+、Na+發(fā)生吸附作用，提高分子篩在紙基材料中的留著率和附著力。

3. 2 當(dāng)對位芳綸漿粕、間位芳綸沉析纖維的質(zhì)量比為5∶1，分子篩添加量為1.5 g時，制備的芳綸纖維/分子篩紙基過濾材料綜合性能最佳，斷裂應(yīng)力為8 MPa，透氣度6 μm/（Pa·s），對PMs和甲醛的去除率分別達99.99%和93.17%。

參 考 文 獻

［1］ NGUYENK，DABDUB D. NOx

and VOC Control and Its Effects on

the Formation of Aerosols［J］. Aerosol Science and Technology，

2002，36（5）：560-572.

［2］ RIZK M， GUO F， VERRIELE M， et al. Impact of Material Emis?

sions and Sorption of Volatile Organic Compounds on Indoor Air Quality

in a Low Energy Building： Field Measurements and Modeling［J］.

Indoor Air，2018，28（6）：924-935.

［3］ 孔雪霞. 論室內(nèi)空氣污染物危害及防治［J］. 山西科技，2011（5）：

144-145.

KONG X X. On the Harm and Prevention of Indoor Air Pollutants［J］.

Shanxi Science and Technology，2011（5）：144-145.

［4］ 任文春. 淺談室內(nèi)裝修空氣污染物對人體健康的危害及防治［J］.

云南環(huán)境科學(xué)，2005，24（Z1）：178-179.

REN W C. A Brief Discussion on the Harm and Prevention of Air

Pollutants in Indoor Decoration to Human Health［J］. Yunnan Envi?

ronmental Science，2005，24（Z1）：178-179.

［5］ 任 靜 . 淺析 VOCs 的污染與治理技術(shù)［J］. 山西化工，2020，

40（5）：180-182.

REN J. Analysis of VOCs Pollution and Control Technology ［J］.

Shanxi Chemical Industry，2020，40（5）：180-182.

［6］ 王成，姚理榮，陳宇岳. 芳綸納米纖維氈/聚苯硫醚高溫超過

濾材料的制備及其性能［J］. 紡織學(xué)報，2013，34（7）：1-4.

WANG C， YAO L R， CHEN Y Y. Preparation and Properties of Ar?

amid Nanofiber Felt/Polyphenylene Sulfide High-temperature Ultra?

filtration Material［J］. Journal of Textile，2013，34（7）：1-4.

［7］ 張新民，薛志鋼，孫新章，等. 中國大氣揮發(fā)性有機物控制現(xiàn)狀

及對策研究［J］. 環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39（1）：16-19.

ZHANG X M， XUE Z Z， SUN X Z. Research on the Current Situa?

tion and Countermeasures of Controlling Volatile Organic Com?

pounds in the Atmosphere of China［J］. Environmental Science and

Management，2014，39（1）：16-19.

［8］ 楊棟. 長治市主城區(qū)環(huán)境空氣臭氧污染較重時期VOCs污染特

征分析［J］. 山西化工，2020，40（2）：120-122.

YANG D. Analysis of VOCs Pollution Characteristics during the Pe?

riod of Severe Ozone Pollution in the Main Urban Area of Changzhi

City［J］. Shanxi Chemical Industry，2020，40（2）：120-122.

［9］ 胥紹華 . 天然納米纖維在空氣過濾材料中的應(yīng)用［J］. 中國造

紙，2011，30（6）：75-76.

XU S H. The Application of Natural Nanofibers in Air Filtration Ma?

［10］ 李永建 terials ［ ， J］ 李從舉 China Pulp amp; Paper . 空氣過濾用靜電紡納米纖維材料的研究進展 ，2011，30（6）：75-76. ［J］.

化工新型材料，2012，40（3）：18-21.

LI Y J， LI C J. Research Progress on Electrospun Nanofiber Materials

for Air Filtration［J］. New Chemical Materials，2012，40（3）：18-21.

［11］ 方夢珍，張弘楠，覃小紅，等. 靜電紡絲納米纖維膜在過濾領(lǐng)域

的應(yīng)用研究［J］. 建設(shè)科技，2018（21）：83-87.

FANG M Z， ZHANG H N，QIN X H， et al. Research on the Appli?

cation of Electrospun Nanofiber Membranes in the Field of Filtration

［J］. Construction Technology，2018（21）：83-87.

［12］ AHMAD M， NAVARCHIAN A H，SHAHRAM T. Mixed Matrix

Membranes on the Basis of Matrimid and Palladium-zeolitic Imidazo?

late Framework for Hydrogen Separation［J］. Iranian Polymer Journal，

2020，29（6）：479-491.

［13］ 何艷芬，陳雪善. 玄武巖基/玄武巖+軼綸復(fù)合針刺濾材的開發(fā)研

究［J］. 現(xiàn)代紡織技術(shù)，2017，25（1）：18-22.

HEN Y F， CHEN X S. Development and Research of Basalt/Basalt+

Yilun Composite Needle Punched Filter Material［J］. Modern Textile

Technology，2017，25（1）：18-22.

［14］ 孟玉堂，劉 俊，湯光平. 4A分子篩性能表征方法及其應(yīng)用［J］.

理化檢驗（物理分冊），2016（3）：151-155.

MENG Y T， XU J， TANG G P. Characterization Method and Appli?

cation of 4A Molecular Sieve Performance［J］. Physical and Chemical

Testing （Physical Division），2016（3）：151-155.

［15］ 邢 娜，王新平，于 青，等. 分子篩NO和NO2的吸附性能［J］.

催化學(xué)報，2007，28（3）：205-209.

XING N， WANG X P， YU Q， et al. The Adsorption Performance of

Molecular Sieves for NO and NO2［J］. Journal of Catalysis，2007，

28（3）：205-209.

［16］ 羅小會. 負載分子篩蜂窩狀陶瓷對VOCs 吸脫附性能研究［D］.

金華：浙江師范大學(xué)，2019.

LUO X H. Study on the Adsorption and Desorption Performance of

VOCs by Loaded Molecular Sieve Honeycomb Ceramics［D］. Jinhua：

Zhejiang Normal University，2019.

［17］ 王曙中. 對位芳綸漿粕的制造及其應(yīng)用［J］. 材料工程，2007（Z1）：

197-201.

WANG S Z. The Manufacturing and Application of Para Aramid

Pulp［J］. Materials Engineering，2007（Z1）：197-2011.

［18］ 尤秀蘭，劉兆峰. 芳綸漿粕纖維制備技術(shù)的研究進展［J］. 高分

子材料科學(xué)與工程，2003，19（3）：45-48.

YOU X L， LIU S F. Research Progress on the Preparation Technolo?

gy of Aramid Pulp Fibers［J］. Polymer Materials Science and Engi?

neering，2003，19（3）：45-48.

［19］ 丁佳偉，杜華太，孫志勇，等. 芳綸漿粕預(yù)處理及在橡膠中的應(yīng)

用研究進展［J］. 合成橡膠工業(yè)，2020，43（2）：164-170.

DING J W， DU H T， SUN Z Y， et al. Research Progress on Pre?

treatment of Aramid Pulp and Its Application in Rubber［J］. Synthet?

ic Rubber Industry，2020，43（2）：164-170.

［20］ 張素風(fēng)，朱光云，劉 文，等. 氯仿改性芳綸纖維對芳綸紙強度

性能的影響［J］. 中國造紙，2011，30（11）：36-40.

ZHANG S F， ZHU G Y， LIU W， et al. The Effect of Chloroform

Modified Aramid Fibers on the Strength Performance of Aramid

Paper ［J］. China Pulp amp; Paper，2011，30（11）：36-40.

［21］ 胡錦瀾. 多巴胺及二次改性增強芳綸纖維/環(huán)氧樹脂界面性能研

究［D］. 太原：中北大學(xué)，2023.

HU J L. A Study on the Interfacial Properties of Dopamine and Sec?

ondary Modification Enhanced Aramid Fiber/Epoxy Resin ［D］.

Taiyuan： North Central University，2023.

［22］ 李 燕，周思奇，李 翔. 油頁巖廢渣水熱合成4A分子篩［J］.

山東化工，2017，46（17）：40-41.

LI Y， ZHOU S Q， LI X. Hydrothermal Synthesis of 4A Molecular

Sieve from Oil Shale Waste Residue［J］. Shandong Chemical Indus?

try，2017，46（17）：40-41.

［23］ 徐啟斌，牛香力，陳婷婷，等. 煤氣化渣合成4A分子篩及其吸附

性能研究［J］. 硅酸鹽通報，2023，42（6）：2251-2261.

XU Q B， NIU X L， CHEN T T， et al. Study on the Synthesis of 4A

Molecular Sieve from Coal Gasification Slag and Its Adsorption Per?

formance［J］. Silicate Bulletin，2023，42（6）：2251-2261.

［24］ 賈儲源. 芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的濕熱老化性能及改性研

究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

JIA C Y. A Study on the Wet Heat Aging Performance and Modifica?

tion of Aramid Fiber/Epoxy Resin Composite Materials［D］. Harbin：

Harbin Institute of Technology，2020.

［25］ KADAM V V， WANG L，PADHYE R. Electrospun Nanofiber Mate?

rials to Filter Air Pollutants—A Review［J］. Journal of Industrial

Textiles，2016，47（8）：2253-2280.

［26］ LI P， WANG C， ZHANG Y， et al. Air Filtration in the Free Molecu?

lar Flow Regime： A Review of High?efficiency Particulate Air Filters

Based on Carbon Nanotubes［J］. Small，2014，10（22）：4543-4561.

［27］ 周 群，花衛(wèi)俊. 常溫空氣濾料生產(chǎn)工藝的研究進展［J］. 遼寧

化工，2021，50（2）：189-196.

ZHOU Q， HUA W J. Research Progress on the Production Process

of Ambient Temperature Air Filter Media［J］. Liaoning Chemical，

2021，50（2）：189-196.

［28］ 張 楠. 聚酰亞胺纖維紙基高溫?zé)煔膺^濾材料的制備及性能研

究［D］. 西安：陜西科技大學(xué)，2019.

ZHANG N. Preparation and Performance Study of Polyimide Fiber

Paper-based High-temperature Flue Gas Filtration Material［D］.

Xi’an： Shaanxi University of Science and Technology，2019.

［29］ 常淑真. 靜電紡芳綸納米纖維耐高溫過濾材料的開發(fā)與應(yīng)用［D］.

鄭州：中原工學(xué)院，2022.

CHANG S Z. Development and Application of Electrospun Aramid

Nanofiber High-temperature Resistant Filter Materials［D］. Zheng?

zhou： Zhongyuan University of Technology，2022.

［30］ BOL R A， HARKNESS D D. The Use of Zeolite Molecular Sieves

for Trapping Low Concentrations of CO2from Environmental Atmo?

spheres［J］. Radiocarbon，2016，37（2）：643-647.

［31］ 劉珊珊，柴玉超，關(guān)乃佳，等. 分子篩材料在小分子吸附分離中

的應(yīng)用［J］. 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2021，42（1）：268-288.

LIU S S， CHAI Y C， GUAN N J， et al. The Application of Molecular

Sieve Materials in Small Molecule Adsorption Separation［J］. Journal of

Chemistry in Higher Education Institutions，2021，42（1）：268-288.