室内空气净化复合材料的研究进展

周彦丽，陈宇刚（.江西服装学院艺术设计分院，江西省南昌市 3300；.江西服装学院服装工程分院，江西省南昌市 3300）

室内空气净化复合材料的研究进展

周彦丽1，陈宇刚2
（1.江西服装学院艺术设计分院，江西省南昌市 330201；2.江西服装学院服装工程分院，江西省南昌市 330201）

综述了室内空气净化复合材料的研究进展。其中，物理型空气净化复合材料主要利用活性碳纤维、硅胶和沸石等对空气中有害气体进行吸附，通过调节材料的形貌和分散度，对有害气体的吸附能力可达30 mg/g以上；化学型空气净化复合材料是利用纳米二氧化钛的催化作用，使空气中的有害气体发生化学反应而分解，通过共掺杂和改性等手段可使其对有害气体的分解度提高到99%以上；复合型空气净化复合材料兼具吸附性能和光催化性能，能够有效去除空气中醛类和芳香类等有害气体，净化效果可达99.3%～99.9%。

复合材料 活性碳纤维 纳米二氧化钛 室内空气净化

随着室内装修程度的提高，室内环境污染愈加严重，主要污染物是甲醛、碳氧化合物、氮氧化合物及含硫化合物等有毒气体，另外，其他装修材料所含有的挥发性芳香族化合物、醚类、酯类和酚类化合物等也会对人体健康造成不同程度的损害［1-2］。因此，室内污染问题成为当今社会急需解决的首要问题之一。解决室内污染的方法主要包括物理法、化学法和生物法［1-2］。物理法主要利用材料的吸附性能去除有害气体，这种方法主要依赖于材料本身的吸附能力、比表面积以及形貌等特征。活性碳纤维吸附性能较好，是一种较为理想的物理去除污染气体的材料。化学法是利用氧化还原反应将空气中的有害气体转变为无毒的二氧化碳和水，纳米二氧化钛在光照下就可以催化甲醛等有害物质降解，还可以与其他物质共掺杂，从而进一步提高其净化空气的能力，在室内空气净化中应用较广泛［3］。生物法是利用活体植物或酶的作用对有害气体进行降解，通常不用于材料的制备。将物理吸附材料和化学降解材料与高分子材料进行复合应用于室内，既可以保证室内景观的美观，又可以实现室内空气的净化。本工作主要综述了室内空气净化复合材料的研究进展。

1 物理型空气净化复合材料

与传统纳米碳材料相比，活性碳纤维具有更高的比表面积，与高分子材料具有较好的相容性；而且活性碳纤维表面含有羟基、氨基、羰基等活性基团，一方面可对其进行表面改性，另一方面又可以通过化学键将其与高分子材料相连，提高材料的均一性和稳定性。所以，物理型空气净化材料通常是以高分子材料为基体，与活性碳纤维进行物理掺杂或化学连结，从而制备具有净化空气能力的复合材料。另外，以硅胶和沸石作为第二组分的物理型空气净化材料也较为常见。

泡沫塑料的多孔结构可以保证复合材料中的活性碳纤维、硅胶、沸石等吸附材料充分与空气中甲醛等有毒气体接触，另外，聚氨酯和酚醛树脂等泡沫塑料又具有较好的力学强度、保温性能、抗静电性能、阻燃性能，被广泛应用于室内墙壁、地板等保温阻燃设施中［4-5］。纳米碳材料和硅材料与泡沫塑料的相容性较好，较为成熟的制备工艺有物理共混法和化学偶联法。吕君亮等［5］分别采用化学偶联法和物理共混法制备了聚氨酯/纳米碳材料复合材料，结果发现：物理共混法操作简单，但纳米碳材料容易在聚氨酯基体内发生团聚；化学偶联法制备工艺较复杂，但纳米碳材料在基体内分散较均匀。Huang Yingjuan等［6-8］利用纳米碳材料表面的羟基将茂金属催化剂通过化学键连结在纳米碳材料表面，将其用于烯烃聚合，原位制备了聚乙烯/纳米碳材料（见图1）和聚丙烯/纳米碳材料复合材料，且纳米碳材料分散均一。硅材料和沸石与纳米碳材料类似，也可以通过物理共混法和化学偶联法制备复合材料。

图1 原位法制备的聚乙烯/纳米碳材料的微观形貌（×10 000）Fig.1 Microphase of PE/nano carbon composite prepared in situ

胡玉娟等［9］将聚醚多元醇、水、催化剂和竹炭剧烈搅拌混合均匀，加入甲苯二异氰酸酯，迅速倒入模具中，发泡成型，经固化脱模制备了竹炭质量分数为5%～25%的泡沫塑料/竹炭复合材料。从图2可以看出：随着竹炭含量的增加及吸附时间的延长，复合材料对甲醛的吸收量增多；但竹炭含量过高，由于竹炭在基体内发生团聚，或堵塞泡沫塑料孔洞，使曲线出现小范围波动。总体来说，所制泡沫塑料/竹炭复合材料对甲醛的吸收效果较好，最高可达约30 mg/g。

图2 竹炭含量对泡沫塑料/竹炭复合材料吸收甲醛的影响Fig.2 Impact of bamboo charcoal content on formaldehyde adsorption by bamboo charcoal/cellular plastics composite

2 化学型空气净化复合材料

纳米二氧化钛属于半导体材料，价带充满电子，能垒较低，而导带为空穴，能量较高，并且导带与价带之间存在禁带。以催化分解甲醛为例，从图3可以看出：当入射可见光或紫外光的能量大于电子跃迁禁带所需的能量，则会发生路径A的变化，价带电子会跃迁到导带，而价带则会留下空穴；空穴一般具有较强的得电子性，可以夺取空气中水分子或氢氧根离子的电子，通过路径B形成羟基自由基；空气中的甲醛则会通过路径C与所生成的羟基自由基反应，被氧化为甲酸，并进一步分解为无毒的二氧化碳和水。

图3 纳米二氧化钛催化分解甲醛机理示意Fig.3 Mechanism of formaldehyde degradation catalyzed by nano-TiO2

20世纪70年代，Frank等［10］最早成功利用纳米二氧化钛处理污染物，起初用于分解污水中的有害物质。直至1990年，Dibble等［11］研究发现，纳米二氧化钛可以在光催化下成功降解三氯乙烯，从而首次实现了纳米二氧化钛在光催化作用下降解有害气体。1992年，Ollis等［12］采用不同浓度的纳米二氧化钛催化氧化甲醛、丁醛、二甲苯、丙酮和丁醇，发现适量的水或空气湿度对催化氧化反应有利，而水含量和空气湿度过高或过低都会使降解反应不完全。随后，他们又研究了纳米二氧化钛对混合气体的分解效果，研究发现，混合气体中三氯乙烯的存在可以促进挥发性醛类、酮类、醚类、脂肪族和芳香族化合物的分解，但对挥发性卤代烷烃的分解没有促进作用［13-14］。1997年，Alberici等［15］利用纳米二氧化钛薄膜，在φ（O2）为21%的条件下对挥发性醛类、酮类、醚类、脂肪族和芳香族有机化合物的降解效果进行了研究。从表1可以看出：除了甲苯、异丙苯、吡啶和1，1，1-三氯乙烷外，其他物质的降解程度均较高，并且无副产物产生。有害气体的降解效果也受O2含量的影响，Brigden等［16］研究发现，φ（O2）小于5%时，挥发性有机物的降解效果较差，而当φ（O2）为5%时，大部分物质的降解程度均能高达95.0%以上。通过以上研究，初步实现了利用纳米二氧化钛材料降解室内有害气体的目的。

表1 纳米二氧化钛薄膜对有机物的降解效果Tab.1 Organics degradation by nano-titanium dioxide film

1997年，我国开始采用纳米二氧化钛材料降解室内污染物，经过近20年的研究，对不同类型纳米二氧化钛、光照时间、光照条件、光照波长、O2含量、温度、压力、空气相对湿度、污染物浓度等因素进行优化。沈抗燕等［17］研究发现，当纳米二氧化钛质量为0.1 g，紫外光波长为365 nm，污染物浓度为0.000 1 mol/L时，几乎可以完全降解甲醛、乙醛、丙酮、甲醇、乙醇、邻二甲苯、间二甲苯等物质。

虽然纳米二氧化钛可以高效催化污染物的降解，但容易发生团聚，从而使其在实际应用中降解效率有所降低。通常情况下，可以利用溶胶-凝胶法、水热法、化学沉积法、溅射法和偶联法等将纳米二氧化钛通过物理或化学方法与其他基体材料复合，改善纳米二氧化钛的分散性，提高实际应用中的催化活性和降解效果［1-2］。其中，聚合物基体较为理想，一方面可以保证对室内污染物降解的能力，另一方面又可以利用高分子材料易加工、易着色等性质，对室内景观进行灵活设计。田福祯等［18］将氢氧化钠和四氯化钛制备成胶体，然后在其中加入纳米水合二氧化钛胶体、杀菌剂、活性炭、助剂等物质，合成了一种具有吸附、消除、降解空气中甲醛等有害物质的多功能纳米二氧化钛复合材料。他们将制备的纳米二氧化钛复合材料与塑料、高分子纤维等进一步复合，制备了具有净化室内空气功能的高分子复合材料。在其研究成果中，制备的含有30 g纳米二氧化钛粉体材料的高分子纤维复合材料“中国结”制品，在9 h内可将1 m3密闭空间内的甲醛质量浓度从0.50 mg/m3降低到0.08 mg/m3，达到了国家对室内甲醛含量的限定标准。丁震等［19］采用溶胶-凝胶法将3种不同类型的纳米二氧化钛与金属离子共掺杂后，负载于聚合物基体表面，成功制备了纳米二氧化钛复合材料，并可较为显著地降解甲醛等有害气体。不同金属离子对纳米二氧化钛复合材料的净化效果有影响，金属镧离子质量分数为1.5%的复合材料对甲醛降解效率最高，且失活的催化剂经清洁后可重复利用。2015年，中材科技股份有限公司制备了一种由聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺布与网状聚四氟乙烯薄膜复合的吸附材料，并在其上负载纳米二氧化钛制备了具有吸附及光催化性能的复合型高分子材料，这种材料对空气中各种有害气体的净化能力高达99.3%～99.9%［20］。周晓丽［21］制备了一种具有光催化及吸附性能的纳米二氧化钛/二氧化硅壳核复合材料，这种材料十分稳定，使用寿命可达300 h以上，并且在10 h内可以将90.0%以上的乙醛成功降解，7 h内成功吸附90.0%以上的甲苯蒸汽。王宁宁等［22］制备了纳米二氧化钛/二氧化硅复合整理液，并将其负载于聚酯纤维上，这种复合型的高分子空气净化材料可以有效降解室内甲醛、乙醛、甲苯等有害气体。

实验室条件下获得的数据与实际应用通常存在一定的偏差。鹿院卫等［23］通过评估国内外4种不同的纳米二氧化钛空气净化复合材料发现，只含有纳米二氧化钛的净化材料不能达到理想的净化作用，而与活性碳纤维等吸附材料共掺杂的多功能净化材料对室内空气净化效果较为显著。日本石原产业株式会社利用掺杂法将纳米二氧化钛粉末与纳米碳纤维与纤维材料进行共掺杂，经二次成型制备成蜂窝型材料，已经成功应用于室内空气的净化［24］。

3 结语

吸附材料在基体中的含量、分布及形貌对物理法吸附效果影响较大，其中，提高吸附材料含量、分布均匀性以及吸附材料的孔隙率可以提高其吸附性能。化学型空气净化复合材料的净化效果受纳米二氧化钛类型、含量，室内温度、湿度、O2含量、光照强度、光照波长等因素影响。在室内空气净化领域中，单一类型的净化材料对有害气体的净化效果皆不理想，通常会利用具有吸附、消除、降解等多方面功能的复合材料，以提高室内空气净化效果。兼具吸附性能和光催化性能的高分子复合材料不仅可以满足室内空气净化效果要求、改善居住环境，还可以实现室内环境设计的美观和便捷，在室内领域中的应用前景较为广泛，是未来室内空气净化材料的发展主流。

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Research development of composite materials for interior air purification

Zhou Yanli1， Chen Yugang2
（1. School of Art Design， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China；2. Garment Engineering， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China）

This paper reviews the research progress of composite materials for interior air purification. Among which， the air purification material through physical methods is used to absorb harmful gas with active carbon fibers， silica gel and zeolite. The adsorption activity of the material could be improved up to 30 mg/ g by varying its dispersion degree and morphology. Nano-titanium dioxide is employed in chemical type air purification material due to its catalytic degradation to harmful gas， and the degradation effects can be improved to 99% by co-doping modification. Composite type composite which possesses both adsorption and photocatalytic performance， can effectively remove the harmful gases in the air such as aldehydes and aromatics with purification effect as high as 99.3 to 99.9%.

composite material； active carbon fiber； nano-titanium dioxide； interior air purification

TQ 050.4+3

A

1002-1396（2016）04-0098-04

2016-01-27；

2016-04-26。

周彦丽，女，1981年生，讲师，硕士，2005年毕业于河南师范大学环境艺术设计专业，主要从事室内空间设计及空气净化复合材料的研究工作。联系电话：

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*通信联系人。E-mail：28941204@qq.com。