1 前言

空气是人类生存最重要的环境要素，室外大气环境和室内空气品质的好坏直接关系着人类生存健康问题。随着人们对大气环境和室内空气质量的日益重视，一系列法规的颁布实施，使得空气过滤材料在室内外空气环境治理中担当着日益重要的角色，并得到了长足的发展。

功能性空气过滤材料是针对特定行业需要如耐高温、耐腐蚀、抗静电、拒水、拒油、阻燃、抗菌、抗病毒、清除有害气体等而开发的空气过滤材料，是近年来兴起的空气过滤材料研究领域的一个热点。所谓功能性空气过滤材料是指具有某些特殊的、不同于一般空气过滤材料，能满足特定行业和领域对空气过滤材料特殊功能需求的滤料。^[1]

纳米材料在功能性空气过滤材料开发上的应用主要集中在利用一些金属及半导体氧化物的纳米粒子的特性，通过一定的工艺加工到纤维中或滤料上，使滤料具有某些特殊功能。目前主要采用的方法有共混纺丝法、静电纺丝法、接枝法和后整理法。其中后整理法是将纳米材料借助于分散剂、稳定剂、粘合剂等助剂，利用吸浸法、浸轧法、涂层法等工艺方法处理到过滤材料中，从而使滤料具有某种特殊功能。^[3]后整理法工艺相对简单，可根据不同的要求配制不同的整理剂，同时可结合一些加工手段进行，在小批量多品种的生产中更具有优势。

根据不同空气过滤材料的不同功能性要求，本实验通过在对不同的空气过滤材料利用纳米材料进行不同的后整理的实验测试研究，分析了整理后的各种滤料在拒水拒油及光催化性能与整理前的变化情况，探讨纳米光催化材料在空气过滤材料后整理中应用的可行性。

2 纳米催化材料催化反应原理

纳米科技是指在纳米尺度空间（0.1～100nm）上研究物质的特性和相互作用，并发展为多学科交叉的科学和技术。它在创造新的生产工艺、新的物质和新的产品等方面有巨大潜能。从材料的结构单元层次来说，纳米材料一般是由1~100nm间的粒子组成，它介于宏观物质和微观原子、分子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。当小粒子尺寸进入纳米数量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，这一系列效应使纳米材料在光学性质、化学反应性、磁性、超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。在催化领域，人们一直致力于寻找对化学反应具有较高活性和高选择性的催化剂，纳米粒子由于具有高比表面积、高密度表面晶格缺陷以及高表面能的特性因而可作为高效催化剂材料。同时，由于纳米材料的熔点低、表面能高，可在较低温度下反应，减少副反应的影响，从而可以提高反应的选择性。因此，纳米材料作为一种高活性和高选择性的新型催化剂材料引起了人们的普遍关注。^{[4] [5]}

用作光催化剂的TiO₂主要有两种晶相－锐钛矿相和金红实相。TiO₂光催化原理如图所示.当TiO₂受到光照时,尤其是在紫外线的照射下，其表面激发电离出电子(e^-),同时产生正电性的空穴(h⁺).这个电子和空穴与TiO₂表面上的氧气和水反应,使H₂O氧化产生OH自由基，O₂还原产生活性氧，其反应式如下。由于产生的这些活性物质的氧化或还原作用,污染物或气味则被分解成二氧化碳和水。^{[4] [5]}

TiO₂ h⁺+ e^- (1.1)

h⁺+H₂O^*OH+ H^* (1.2)

e^-+ O₂^* O₂^- HO₂^* （1.3）

2HO₂^* O₂+ H₂O₂ （1.4）

H₂O₂+^* O₂^-*OH+ OH ^-+ O₂ （1.5）

^*OH基团的氧化能力较强，有机物可被其氧化、分解，最终分解为CO₂和H₂O。例如，对脂肪族有机物，^*OH可将其氧化为醛、酸，最后脱羧生成CO₂，^[2]其反应步骤为：

Ｒ－CH₂CH₃Ｒ－CH₂CH₂OHＲ－CH₂CHOＲ－CH₂COOHＲ－CH₃+ CO₂Ｒ－CH₂OHＲ－CHOＲ－COOH-…… （1.6）

每降解一个碳原子，生成一个CO₂，重复循环，直到脂肪族有机物完全转化为CO₂为止。

TiO₂的光催化反应有如下几个特点:第一个特点是电离电子的还原能力和生成空穴的氧化能力很强，因此,有机化合物、氮氧化物以及其他各种各样的化合物在TiO₂表面被氧化还原分解掉，油脂和烟油等分子量大的也可以被分解，与用于水处理的氯气和臭氧相比TiO₂的强氧化性是很明显的。第二个特点是氧化还原反应只发生在TiO₂表面，即在TiO₂上由于光激发生成电子空穴对与存在于表面的物质发生氧化还原反应,这时TiO₂本身不发生氧化还原反应,只起催化剂的作用。第三个特点是TiO₂能级跃迁的间隔为3eV,波长相当于400nm,即在400nm左右的紫外光照射下可以发生光化学反应。

3 探讨性实验

3.1 滤料拒水拒油性能实验研究

3.1.1 实验材料

试样选用工业除尘用普通涤纶针刺毡。

整理剂采用了陕西省功能性服装面料重点实验室制备的具防污、抗菌功能为一体的液相单分散纳米防污、抗菌涂层整理剂。这种液相单分散纳米材料是通过多种化合物在溶液状态下进行化学反应，形成纳米级的微小颗粒，通过有效的表面保护而形成溶胶状态的纳米材料，材料纳米粒度采用激光纳米粒度仪进行检测，可达到30～95纳米，常温状态放置一年后测试粒径基本不变。从而使形成的整理剂兼有防污和抗菌功能，即具有拒水、拒油、防污、防尘、抗菌等多种功能特性。

3.1.2 涂层法

采用涂层法对针刺毡进行处理，处理后涂层柔软光滑，不影响空气滤料的其它物理机械特性。

3.1.3 性能测试研究

经过纳米整理剂处理的针刺毡试样，委托陕西省功能性服装面料重点实验室进行测试，按照GB12799—91和FZ/T01067—1999标准检测后，结果如下表所示。

3.1.4 结论

经过纳米整理剂经涂层法处理后的针刺毡滤料其拒水拒油性能显著提高，拒油性能达到6级，拒水性能达到4级。

3.2 滤料光催化净化性能实验研究

3.2.1 实验材料

试样涤纶针刺非织造布和蜂窝活性炭滤网两种空气过滤材料。

整理剂选用纳米氧化钛整理剂。

3.2.2 吸浸法

配置整理剂—→吸浸（室温）—→烘干

3.2.3 性能测试研究

3.2.3.1 整理剂的附着量

从表2可知，滤尘针刺非织造布面密度比较大，试样比较厚，通过整理TiO₂ 附着量较高，附着率为8.84%，而蜂窝活性炭滤网孔隙比较大，附着量较小，附着率为2.01%。

3.2.3.2 试样的光催化净化甲醛性质

试样的光催化净化甲醛的性质测试方法：在直径为240mm（容积9～11L）的干燥器底部放置直径为45mm、高度70mm的烧杯，在烧杯内加入一定量的某一浓度的甲醛溶液，作为释放液。在干燥器上部放置直径为90mm、高度50mm的结晶皿，在结晶皿内加入100mL蒸馏水，作为吸收液。实验时在结晶皿口上盖上待测织物，并用橡皮筋扎紧。在干燥器外上方一定高度安装紫外线灯，测定在一定温湿度条件下，放置一定时间，蒸馏水吸收从释放液释放的甲醛浓度。甲醛溶液浓度测定参照GB/T17657-1999中4.12.1～4.12.6规定进行，采用乙酰丙酮法，甲醛与乙酰丙酮及乙酸铵作用生成黄色化合物，在分光光度计上最大吸收波长（λ_max）位于412nm处，以蒸馏水作为对比溶液，用0.5cm的比色皿测定待测液的吸光度，计算出甲醛浓度。

在干燥器内特定的空气条件中释放液释放甲醛，在吸收液（蒸馏水）上盖上试样，利用吸收液甲醛浓度的变化，来评价试样TiO₂ 整理前后光催化净化甲醛性能。

从表３可知，滤尘针刺非织造布由于TiO₂ 附着量较高，吸收液甲醛浓度从最初的0.595mg/L，24小时后，下降为0.061mg/L，净化率达89.7%。而蜂窝活性炭滤网虽然TiO₂ 附着量较小，但由于活性炭本身的吸附净化作用，原试样吸收液甲醛浓度仅为0.193 mg/L，比滤尘针刺非织造布的原试样吸收液甲醛浓度0.595 mg/L低2/3左右，24小时吸收液甲醛浓度也很低，仅为0.082 mg/L。在较低释放液浓度144 mg/L的情况下，5小时蜂窝活性炭滤网吸收液甲醛浓度为0，净化率为100%。

3.2.4 结论

通过对几种典型净化织物滤尘针刺非织造布、蜂窝活性炭滤网进行纳米TiO₂ 整理，研究了其光催化净化甲醛性能。

（1）针刺非织造布TiO₂ 附着量较高，净化甲醛率可达89.7%；

（2）借助活性炭的吸附净化作用，蜂窝活性炭滤网虽然TiO₂ 附着量较小，也可达较好的净化效果。原试样净化甲醛浓度仅为其他二种试样的1/3，在较低释放液浓度144 mg/L的情况下，5小时净化率为100%；

4.结束语

通过对纳米催化材料在功能性空气过滤材料后整理中应用的探讨性实验研究，可以看到纳米材料在滤料拒水拒油及光催化净化甲醛的功能性整理中具有一定的可行性。但是，整理剂用量、浴比、温度、时间、烘干温度、烘干时间等后整理的优化研究以及更加精确的性能测试研究还有待于进一步的深入进行。

参考文献:

[1] 黄翔.　纳米材料与技术在功能性空气过滤材料中的应用.　全国袋式过滤技术研讨会论文集，2003.3

[2] 黄翔，殷清海，狄育慧等. 纳米光催化材料在功能性空气过滤材料中的应用研究. 洁净与空调技术，2001;(3):9-12

[3] 黄翔，顾群，狄育慧. 功能性空气过滤材料及其应用.　 洁净与空调技术， 2003;(3)

[4] 杨建忠，黄翔. 纳米光催化材料在环保方面的应用.　第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集. 2002，5

[5] 高濂，郑珊，张青红. 纳米氧化钛光催化材料及应用. 化学工业出版社，2002，12

基金项目：

陕西高校省级重点实验室重点科研项目

作者简介：

顾群（1978—），女，陕西西安人，硕士研究生。主要功能性空气过滤材料的研究。