空氣凈化面料的開發及性能表征

徐佩珊,孫淑文,陳 露,陳麗莎,陳婷婷,呂海寧

(嘉興學院南湖學院,浙江 嘉興314001)

納米TiO2光催化劑在光的激發下產生活性自由基,可以分解環境中的污染性物質[1],該技術的研究開發在日本及歐美等一些發達國家已取得比較成功的應用,掀起了革命性的光催化凈化浪潮。目前納米TiO2光催化劑已經成功地應用于污水處理、空氣凈化、抗菌防臭、表面防污自潔、飲水處理等領域[2-8]。類似于納米TiO2這樣的光催化材料還具有能耗低(可利用太陽能)、可在常溫常壓下進行、反應速度快、可重復使用、無二次污染等優點。光催化技術是治理污染物降解的有效途徑,但如何實現污染物的循環利用是目前的一個關鍵問題。

Fatemeh Emami等[9]采用納米TiO2對錦綸6織物進行處理得到了在紫外或日光照射下具有空氣凈化效果的產品;中科院王艷艷等[10]采用納米TiO2和碳納米管層層自組裝的方法對棉織物進行處理得到了空氣凈化效果良好的面料;韓國Taeyoung Jeong等[11]將納米TiO2和PVA 采用靜電紡的形式噴涂在滌綸無紡布上,在不同光源下測試了材料對色素的光催化降解效果,結果表明無論是在紫外光還是可見光或燈光照射條件下材料的光催化降解效果均很好。

本文針對納米TiO2粉末對純棉和純滌織物進行浸軋處理,研究了納米TiO2分散液濃度、p H 值、焙烘溫度等各項工藝條件,以及整理后的純棉和純滌織物對甲醛氣體的凈化效果。

1 試驗部分

1.1 儀器和材料

化學試劑 氫氧化鈉(滄州市晟昱化工產品有限公司);碳酸鈉(東營市歐斯丹商貿有限公司);納米TiO2光觸媒粉體(5 nm,宣城晶瑞新材料有限公司);分散劑NNO(上虞市創峰化工有限公司)。

織物 經過前處理的純棉梭織物,經緯紗線線密度均為20 tex,經緯密分別為236 根/10 cm×236 根/10 cm,幅寬150 cm;經過前處理的純滌梭織物,經緯紗線線密度均為14 tex,經緯紗密度293 根/10 cm×255 根/10 cm,幅寬155 cm。

儀器 GTSG-40實驗室軋輥機(晶科諾爾自動化科技有限公司);752N 紫外可見光光度儀(深圳三利化學品有限公司);CP114電子天平(奧豪斯儀器有限公司);M-TENTER 連續式小樣定型機(佛山市順德區容桂薈寶染整機械廠);p HS-3C實驗室p H 計(上海梅特勒-托利多儀器有限公司);QHX-1000 1 m3甲醛環境氣候箱(濟南凡泰自動化科技有限公司);LUYOR-3115臺式實驗室用led紫外燈(無錫市君達儀器有限公司);722 分光光度計(上海力辰科技儀器有限公司)。

1.2 試驗方法

稱取粒徑為5 nm 的納米TiO2光觸媒粉體5 g,放入洗凈的200 ml燒杯中,加入分散劑NNO 2 g/L,加水攪拌溶解。將溶解的納米TiO2粉末放入500 ml容量瓶中,加水至刻度線,充分搖勻,配得10 g/L 的納米TiO2分散液母液。

將納米TiO2分散液母液配成250 ml試驗所需溶液,濃度分別為1、1.5、2、2.5、3 g/L。采用粉體分散法對滌綸織物和棉織物進行整理,根據需要的p H 值加入碳酸鈉或氫氧化鈉。在不同溫度下對織物進行焙烘,測定其甲醛降解率。

棉織物整理工藝:

二浸二軋(軋液率75%)→預烘(70 ℃,5 min)→焙烘(x ℃,5 min)。

滌綸織物整理工藝:

二浸二軋(軋液率75%)→預烘(100 ℃,2 min)→焙烘(y℃,2 min)。

測量密閉空間內的甲醛含量,計算得到24 h甲醛降解率。

甲醛初始濃度為0.2 mg/m3,甲醛降解率計算公式如下:

式中C—— 甲醛降解率,%;M0—— 密閉空間甲醛的初始濃度,mg/m3;M1——24 h后密閉空間內甲醛濃度,mg/m3。

2 各因素對織物空氣凈化降解效果的影響

2.1 pH值對甲醛降解效果的影響

2.1.1 棉織物浸軋液pH值對甲醛降解效果的影響

在不同反應p H 值條件下,紫外光照射下TiO2整理棉織物24 h甲醛的降解率。其中納米TiO2濃度分別是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

圖1 棉織物的TiO2處理液p H 值對甲醛降解影響的效果

由圖1得出:納米TiO2對甲醛的降解率隨著反應p H 值而變化,當p H 值為10～11時,納米TiO2對甲醛的降解率達到最高時,降解效果最好,納米TiO2表面帶負電。當p H 值較小的時候,對納米TiO2的作用會大大降低,TiO2的表面會形成 Ti—OH 鍵,使得TiO2粒子表面帶正電。隨著p H 值的增大,TiO2表面帶的正電荷會減少,雙電層會變薄,粒子間的排斥力位能減小,納米粒子易發生團聚,分散性能變差。

2.1.2 滌綸織物浸軋液p H值對甲醛降解效果的影響

不同反應p H 值條件下,紫外光照射下TiO2整理滌綸織物24 h甲醛的降解率。其中納米TiO2濃度分別是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

圖2 滌綸的TiO2處理液p H 值對甲醛降解效果的影響

由圖2得出:納米TiO2對甲醛的降解率隨著反應p H 值而變化,當p H 值為11～12時,納米TiO2對甲醛的降解率達到最高,降解效果最好,納米TiO2表面帶負電。滌綸纖維在堿性條件下表面有輕微刻蝕作用,產生的自由基更容易吸附納米粒子,因而負載的納米TiO2量更多,對甲醛的降解效果更好。

2.2 溫度對甲醛降解效果的影響

2.2.1 棉織物焙烘溫度對甲醛降解效果的影響

將p H 值固定為10,不同焙烘溫度下,紫外光照射下納米TiO2整理棉織物24 h 甲醛的降解率。納米TiO2濃度分別是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

圖3 棉織物不同焙烘溫度對甲醛降解效果的影響

由圖3得出:焙烘溫度在120 ℃時,納米TiO2在棉織物上的負載效果最好,對甲醛降解的效率最高;隨著焙烘溫度的升高,甲醛的降解效果會更好一些,但是溫度過高,棉織物就會變黃,手感變差,這可能是由于棉織物前處理中所用助劑受熱變性所致。

2.2.2 滌綸織物焙烘溫度對甲醛降解效果的影響

p H 值固定為10,不同定型溫度下,紫外光照射TiO2整理棉織物24 h甲醛的降解率如圖4所示。納米 TiO2濃度分別是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

圖4 滌綸焙烘溫度對甲醛降解影響的效果

由圖4得出:焙烘溫度在150 ℃時,納米TiO2在滌綸物上的負載效果好,對甲醛的降解效率最高。

2.3 織物表面沉積情況對甲醛降解效果的影響

經納米TiO2整理的織物表面掃描電鏡圖如圖5所示。

圖5 經過TiO2處理后的織物電鏡圖

由圖5可以看出:純棉織物中棉纖維的天然扭曲變得不明顯,而滌綸表面明顯有堿刻蝕作用而形成的縱向條紋,納米TiO2在滌綸表面沉積量比棉織物表面附著量多些。當納米TiO2(2.5 g/L)以分散液的形式在織物上浸軋,在納米TiO2分散液中呈堿性,使得納米TiO2周圍p H 值上升,粒子表面帶的正電荷相對減少,TiO2粒子雙電層變薄,粒子間的斥力位能減小,納米粒子會發生團聚,均勻性變差,分散性能變弱。從織物表面TiO2附著量的多少可以推測滌綸織物的空氣凈化能力比棉織物要稍好些。

2.4 洗滌次數對甲醛降解效果的影響

將標準皂片按照浴比1∶30的比例配制皂液,然后將純滌織物和純棉織物在60℃下洗滌3～5 min,再用清水清洗,然后烘干為洗滌一次,后續洗滌重復上述操作。

圖6 洗滌次數對甲醛降解效果的影響

由圖6得出:不論是棉織物還是滌綸織物,隨著洗滌次數的增加,對甲醛的降解率都會下降。由此可得出用納米TiO2對織物整理的效果,隨著洗滌次數的增加,效果會變差。

3 結語

通過納米TiO2分散液負載到純棉與純滌纖維上,在紫外光的照射下,產生自由基,能夠去除空氣中的污染物。其中純棉織物的最佳整理工藝為:納米TiO2分散液濃度為2.5 g/L,浸軋液p H 值為10,焙烘溫度為120 ℃。純滌織物的最佳整理工藝為:納米TiO2分散液濃度為2.5 g/L,浸軋液p H 值為12,焙烘溫度為150 ℃。對比2種織物,滌綸織物的效果要比棉織物的效果好一些。棉織物最大甲醛凈化率達到60%左右,而滌綸的能達到68%左右。說明此種整理方法比較適合滌綸織物。