利用橫機管狀織物開發空氣凈化濾芯的研究*

1. 鹽城工業職業技術學院紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005；2. 青島大學非織造材料與產業用紡織品創新研究院，山東 青島 266000；3. 鹽城工業職業技術學院科技產業處，江蘇 鹽城 224005

1 空氣凈化技術的發展

隨著全球工業時代的到來及人們物質生活水平的提高，沙塵暴、霧霾、粉塵、PM2.5、室內污染等名詞，成為人們關注的重點，室內空氣凈化也得到了空前重視。室內空氣凈化的方式主要有主動吸附和被動吸附兩類，包括活性炭吸附、負離子凈化、光催化凈化、多層過濾除塵、靜電除塵等[1-2]。

以富士康、遠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，但需要經常清洗集塵板，否則積塵太多時易引起火災，使用過程中會產生臭氧，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釋放出異味，容易產生二次污染，需要定期更換濾芯，使用成本高。

目前，市場上出售的空氣凈化器，其濾芯均存在一定的不足。開發更加高效、環保、方便的濾芯，是產業用紡織品領域的重要課題之一。

2 利用橫機管狀織物開發空氣凈化濾芯的設想

2.1 常規空氣凈化用材料

以前，氣體過濾材料主要用于工業廢氣的處理，現在則更多地用于室內空氣的凈化。通常，機織物、針織物和非織造物都可作為氣體過濾材料。機織氣體過濾材料具有力學性能良好、易清洗和孔隙大小可控等優點，但其很難形成濾餅。非織造氣體過濾材料易生產，容塵量大，但是強力低，不耐用[3]。針織氣體過濾材料的基本結構單元為線圈，其相互串套，織物結構靈活可變，能夠很好地彌補機織氣體過濾材料和非織造氣體過濾材料的不足。

傳統的針織氣體過濾材料包含針織網格織物、毛絨織物、經編間隔織物等。這些織物各有特點，常應用在工業尾氣除塵、粉塵過濾等方面，但對PM2.5或有毒氣體的過濾效果不夠理想[4-6]。

2.2 橫機管狀織物結構

橫機管狀織物是紡織業發展新材料、新工藝、新產品的突破。結構多樣性是針織技術的顯著特征，為各種產業用紡織品提供了優勢條件[7-8]。針織結構將成為未來紡織面料及先進復合材料的重要加工手段。

橫機管狀織物因其三維結構一體成型而適用于多種領域，織物種類也變化多樣且結構新穎(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、直徑規律變化的橫機管狀織物；可以通過改變不同織針部位的編織橫列數等方式，制得部分管橫機管狀織物(圖3)，廣泛用作服裝面料、產業用紡織品等；還可以制得多管橫機管狀織物，其可以制作復合材料預制件等(圖4)。

(a) 結構示意

(b) 實物

(a) 直徑同向變化

(b) 直徑變向變化

(c) 直徑規律變化

(a) 每橫列單管

(b) 每橫列多管

(c) 實物

(a) 多管橫機管狀織物

(b) 復合材料預制件

2.3 橫機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管狀織物進行組合，形成橫機管狀織物凈化基體。利用該基體作為空氣凈化裝置的濾芯，在進行空氣凈化時，可通過光催化凈化、多層過濾除塵、納米吸附等方式，不僅能夠過濾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，無二次污染。

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

(a) 雙層管

(b) 單面規律變化管

(c) 雙面規律變化管

(d) 多管

3 利用橫機管狀織物開發空氣凈化裝置

3.1 橫機管狀織物的制備

橫機管狀織物因管子部分的直徑可控制，且織物具有柔性，得到了廣泛應用，尤其在產業用紡織品領域。本文以開發空氣凈化濾芯為目標設計橫機管狀織物，采用腈綸紗線，紗線線密度控制在22.7 tex×2左右，橫密控制在30～36縱行/(5 cm)，編織不同結構的橫機管狀織物，如圖6、圖7所示。

(a) 正面

(b) 側面

(a) 正面

(a) 正面

3.2 空氣凈化濾芯的制備

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

本文選用TiO2與活性炭纖維棉復合，并利用超聲波增強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管狀織物的管子內部，形成橫機管狀織物凈化基體，即空氣凈化濾芯。圖8所示為雙面單層滿管的空氣凈化濾芯結構與實物，圖9所示為雙面雙層滿管的空氣凈化濾芯結構。

為加強空氣凈化濾芯的過濾效果，可在濾芯中間加放一組尺寸較小的橫機管狀織物制成雙重濾芯(圖10)。這樣，利用橫機管狀織物制得的空氣凈化濾芯可實現“一次進風、多重過濾”的效果。“多重過濾”體現在多樣的凈化技術(主動凈化+被動凈化)和多次的凈化過濾過程上。

(a) 結構

(b) 實物

圖9 雙面雙層滿管的空氣凈化濾芯結構

(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很多，其凈化原理基本相同。通常來說，空氣凈化原理有兩種，一是過濾式被動吸附，二是主動式空氣凈化。被動式空氣凈化是指通過外力將空氣吸入，再經濾網或濾芯，對空氣起到過濾粉塵、去除異味、消毒等作用。主動式空氣凈化能有效、主動地對空氣進行凈化，達到對室內空氣無死角凈化的效果。

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

本文開發的空氣凈化濾芯是由橫機管狀織物內置含TiO2的活性炭纖維棉組成的，可充分發揮被動式空氣凈化和主動式空氣凈化的優勢，經過“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，實現“一次進風，多重過濾”的效果，能夠對PM2.5及細菌、甲醛等有毒污染物進行有效的凈化，其凈化原理如圖11所示。

同時，TiO2等金屬氧化物在光照下會持續發生氧化還原反應，利用空氣中的氧氣作為氧化劑將有機污染物或部分無機污染物分解為二氧化碳和水等無機小分子(圖12)，凈化效果徹底、持久，進一步增強空氣凈化效果。

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(主動凈化)

4 結論

通過對利用橫機管狀織物制備空氣凈化濾芯的研究，發現橫機管狀織物結構立體、調整性強，內置含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，利用橫機管狀織物開發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現，具有一定的市場前景。