利用横机管状织物开发空气净化滤芯的研究*

1. 盐城工业职业技术学院纺织服装学院，江苏 盐城 224005；2. 青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院，山东 青岛 266000；3. 盐城工业职业技术学院科技产业处，江苏 盐城 224005

1 空气净化技术的发展

随着全球工业时代的到来及人们物质生活水平的提高，沙尘暴、雾霾、粉尘、PM2.5、室内污染等名词，成为人们关注的重点，室内空气净化也得到了空前重视。室内空气净化的方式主要有主动吸附和被动吸附两类，包括活性炭吸附、负离子净化、光催化净化、多层过滤除尘、静电除尘等[1-2]。

以富士康、远大等品牌为代表的空气净化器，其滤芯主要采用静电除尘的净化方式，不需要更换滤芯，使用成本低，但需要经常清洗集尘板，否则积尘太多时易引起火灾，使用过程中会产生臭氧，危害人体健康。以飞利浦、布鲁雅尔等品牌为代表的空气净化器，其滤芯主要通过活性炭的物理吸附作用净化空气，有一定的吸附甲醛的效果，但活性炭吸附饱和后会释放出异味，容易产生二次污染，需要定期更换滤芯，使用成本高。

目前，市场上出售的空气净化器，其滤芯均存在一定的不足。开发更加高效、环保、方便的滤芯，是产业用纺织品领域的重要课题之一。

2 利用横机管状织物开发空气净化滤芯的设想

2.1 常规空气净化用材料

以前，气体过滤材料主要用于工业废气的处理，现在则更多地用于室内空气的净化。通常，机织物、针织物和非织造物都可作为气体过滤材料。机织气体过滤材料具有力学性能良好、易清洗和孔隙大小可控等优点，但其很难形成滤饼。非织造气体过滤材料易生产，容尘量大，但是强力低，不耐用[3]。针织气体过滤材料的基本结构单元为线圈，其相互串套，织物结构灵活可变，能够很好地弥补机织气体过滤材料和非织造气体过滤材料的不足。

传统的针织气体过滤材料包含针织网格织物、毛绒织物、经编间隔织物等。这些织物各有特点，常应用在工业尾气除尘、粉尘过滤等方面，但对PM2.5或有毒气体的过滤效果不够理想[4-6]。

2.2 横机管状织物结构

横机管状织物是纺织业发展新材料、新工艺、新产品的突破。结构多样性是针织技术的显著特征，为各种产业用纺织品提供了优势条件[7-8]。针织结构将成为未来纺织面料及先进复合材料的重要加工手段。

横机管状织物因其三维结构一体成型而适用于多种领域，织物种类也变化多样且结构新颖(图1)。比如，可形成直径变化的管状织物，如图2所示，其中(a)～(c)所示分别为直径同向变化、直径变向变化、直径规律变化的横机管状织物；可以通过改变不同织针部位的编织横列数等方式，制得部分管横机管状织物(图3)，广泛用作服装面料、产业用纺织品等；还可以制得多管横机管状织物，其可以制作复合材料预制件等(图4)。

(a) 结构示意

(b) 实物

(a) 直径同向变化

(b) 直径变向变化

(c) 直径规律变化

(a) 每横列单管

(b) 每横列多管

(c) 实物

(a) 多管横机管状织物

(b) 复合材料预制件

2.3 横机管状织物空气净化用材料

将掺杂金属氧化物的活性炭纤维棉作为填充物与横机管状织物进行组合，形成横机管状织物净化基体。利用该基体作为空气净化装置的滤芯，在进行空气净化时，可通过光催化净化、多层过滤除尘、纳米吸附等方式，不仅能够过滤PM2.5，还可以有效分解空气中的甲醛、苯等有毒有害气体，净化效果好且持久，无二次污染。

可用于制备空气净化装置滤芯的横机管状织物有双层管、单面规律变化管、双面规律变化管及多管等形式，具体如图5所示。

(a) 双层管

(b) 单面规律变化管

(c) 双面规律变化管

(d) 多管

3 利用横机管状织物开发空气净化装置

3.1 横机管状织物的制备

横机管状织物因管子部分的直径可控制，且织物具有柔性，得到了广泛应用，尤其在产业用纺织品领域。本文以开发空气净化滤芯为目标设计横机管状织物，采用腈纶纱线，纱线线密度控制在22.7 tex×2左右，横密控制在30～36纵行/(5 cm)，编织不同结构的横机管状织物，如图6、图7所示。

(a) 正面

(b) 侧面

(a) 正面

(a) 正面

3.2 空气净化滤芯的制备

纳米级金属氧化物(如TiO2、SnO2)具有可持续光催化性，能降解甲醛、苯、甲基蓝等污染物。将掺杂有金属氧化物的活性炭纤维棉与横机管状织物结合，在空气净化、废水处理等方面有很大的应用价值。

本文选用TiO2与活性炭纤维棉复合，并利用超声波增强TiO2在活性炭纤维棉上的附着性，再将含TiO2的活性炭纤维棉填充于横机管状织物的管子内部，形成横机管状织物净化基体，即空气净化滤芯。图8所示为双面单层满管的空气净化滤芯结构与实物，图9所示为双面双层满管的空气净化滤芯结构。

为加强空气净化滤芯的过滤效果，可在滤芯中间加放一组尺寸较小的横机管状织物制成双重滤芯(图10)。这样，利用横机管状织物制得的空气净化滤芯可实现“一次进风、多重过滤”的效果。“多重过滤”体现在多样的净化技术(主动净化+被动净化)和多次的净化过滤过程上。

(a) 结构

(b) 实物

图9 双面双层满管的空气净化滤芯结构

(a) 单层管双重滤芯

(b) 双层管双重滤芯

3.3 空气净化滤芯的净化原理分析

空气净化装置的品牌和种类很多，其净化原理基本相同。通常来说，空气净化原理有两种，一是过滤式被动吸附，二是主动式空气净化。被动式空气净化是指通过外力将空气吸入，再经滤网或滤芯，对空气起到过滤粉尘、去除异味、消毒等作用。主动式空气净化能有效、主动地对空气进行净化，达到对室内空气无死角净化的效果。

两种空气净化的方式各有利弊：被动式空气净化对去除PM2.5更有效，但对去除病毒、细菌、甲醛等污染物的效果不明显；主动式空气净化对去除甲醛等气态污染物的效果较好。目前，主流的空气净化装置的滤芯都采用被动式空气净化的方式，利用滤网+活性炭对空气进行净化。

本文开发的空气净化滤芯是由横机管状织物内置含TiO2的活性炭纤维棉组成的，可充分发挥被动式空气净化和主动式空气净化的优势，经过“织物层→纳米纤维层→织物层→织物层→纳米纤维层→织物层”的多层净化，实现“一次进风，多重过滤”的效果，能够对PM2.5及细菌、甲醛等有毒污染物进行有效的净化，其净化原理如图11所示。

同时，TiO2等金属氧化物在光照下会持续发生氧化还原反应，利用空气中的氧气作为氧化剂将有机污染物或部分无机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子(图12)，净化效果彻底、持久，进一步增强空气净化效果。

图11 空气净化滤芯的净化原理示意(以双面单管织物为例)

图12 光催化净化原理(主动净化)

4 结论

通过对利用横机管状织物制备空气净化滤芯的研究，发现横机管状织物结构立体、调整性强，内置含TiO2等金属氧化物的活性炭纤维棉后，空气净化效果良好。另一方面，利用横机管状织物开发空气净化滤芯具有可操作性，后期制备空气净化装置也能实现，具有一定的市场前景。