PM2.5防护纱窗研究进展

王 萌

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东 广州 510663)

在汽车尾气、燃料燃烧、吸烟等的排放物中,存在大量PM2.5细颗粒物,即直径小于等于2.5μm 的颗粒,其不仅是导致雾霾天气的重要原因,还因粒径超小,可被人体直接吸入,诱发炎症、哮喘等呼吸道和心血管等疾病,影响人体健康。普通纱窗仅能屏蔽蚊虫,并不能隔离微细颗粒,虽然通过增大网格目数,或在其上贴一层吸附材料,对防尘有一定效果,但是不能有效解决室外雾霾天气下室内的PM2.5浓度问题。因此,研制一种PM2.5防护纱窗具有应用价值。

1 PM2.5防护纱窗的制造机理

为了使纱窗具有PM2.5捕获能力,一般是在纱窗基材上复合一层多孔的纳米纤维层,这样既隔离了PM2.5,又使得纱窗具有一定的透明度和透风性,不影响室内采光和通风透气。纳米纤维材料之所以能防护PM2.5,主要是因为纳米纤维直径小,制备成纤维材料例如无纺布时,随着纤维直径减小,单位面积内纤维根数会显著增加,纤维之间的间隙减小,有利于拦截PM2.5；同时纤维直径的减小,纤维材料的比表面积会显著增加,提高了超细颗粒与纤维接触而被吸附的几率。

2 PM2.5防护纱窗的制备

2.1 静电纺丝形成纳米纤维层

静电纺丝能够直接且连续制备直径很小的微纳米纤维,因而形成的纤维材料孔隙率高,且孔隙高度互通；通过对成丝体系和纺丝参数的调整,可有效调控纤维膜的厚度、孔隙分布,改善其过滤效率,因此,静电纺丝是制备PM2.5防护纱窗的常用方法。林承浩等[1]在纱窗基材至少一面上复合至少一层静电纺丝纳米纤维材料层,静电纺丝纤维之间无规则交错的结构,使之形成的空隙较小,从而为过滤细颗粒物提供了基础。赵明良等[2]采用热塑性聚氨酯的二甲基甲酰胺溶液进行静电纺丝,将其沉积在玻璃纤维纱网上,制得可隔离PM2.5的防雾霾纱窗。

为了调整纳米纤维层的通风换气性、降低过滤阻力,纳米纤维层的纤维从内到外直径可不同；外层使用小直径纤维,有利于阻隔PM2.5,而内层纤维直径比较大,有利于气流通过。丁彬等[3]通过电场逐级递增/递减技术以及环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置,将纺丝液通过静电纺丝在纱窗基材上沉积,使得纳米纤维层直径分布在垂直于幅宽方向上呈递增或递减排列,制得的纳米纤维复合纱窗材料如图1所示,可有效除去空气中的PM2.5、花粉等细小颗粒物,具有较好的通风换气性能,且高效低阻的性能优势,适合室内空气过滤除尘。

图1 纳米纤维复合纱窗材料

虽然静电纺丝能制得具有PM2.5隔离作用的纳米纤维层,但因纳米纤维与纱窗基材的结合强度差,清洗时纳米纤维层易剥离,因而不利于清洗和反复使用。王迎等[4]在玻璃纤维窗纱上利用静电纺丝方法沉积聚丙烯腈纳米纤维膜制得PM2.5防护纱窗,虽然聚丙烯腈含有极性基团,对空气中极性有机颗粒具有吸附作用,可提升过滤效率,但因聚丙烯腈与玻璃纤维的结合强度差,成品纱窗无法进行清洗和反复使用。为了提高纳米纤维层和纱窗基材的结合牢度,一般利用粘合成分促进两者粘合。杨春宇[5]制备了一种纱窗材料,先将含电气石的纺丝液经静电纺丝技术使得纳米纤维长丝自由、均匀地喷洒在纱窗基材上,得到厚度均匀的纳米纤维膜；再将颗粒状固体热压胶微颗粒均匀地涂布在纳米纤维膜上,然后在纤维膜载体的表层覆盖上一层筛网；最后热粘合,即得纱窗材料。

另外,为了赋予纱窗多功能性,静电纺丝液中会加入功能助剂,或者在纱窗材料中设置功能层或采用其他助剂进行功能整理。吴春芃等[6]将高分子和二氧化钛纳米颗粒共混后进行静电纺丝沉积于纱窗基材上,制备的纱窗具有很好的疏水性,能阻挡雨水对室内的侵袭,并能自然清洗纱窗,且可光催化降解甲醛等有害气体,保持室内空气新鲜。何丹农等[7]利用静电纺丝将纳米纤维层沉积在窗纱基材,再将纤维素纳米晶体涂敷于纳米纤维层表面,形成具有网络结构的抗菌纤维层,最后经超声波复合法将保护层与抗菌纤维层、纱窗基材熔接,制得的纱窗如图2所示。其中纳米纤维素晶体抗菌层能够有效截留空气中的固体悬浮物、胶体、细菌等,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达99%。

图2 超声波复合法纱窗

溶剂型静电纺丝因采用大量有机溶剂,会造成污染；水溶性聚合物进行静电纺丝,虽然不使用化学试剂,但产品亲水易造成溶胀、水解,因此需要抗水解改性。余煜玺等[8]将水性聚氨酯和聚乙烯醇均溶于去离子水,并加入水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯作为固化剂,共混后进行静电纺丝,然后热交联使得纳米纤维层由水溶性转变成非水溶性制得的纱窗如图3所示。李芳颖等[9]将聚乙烯醇/戊二醛共混,利用戊二醛中的醛基与聚乙烯醇的羟基发生缩醛反应,降低聚乙烯醇纳米纤维膜的水解性。任倩等[10]分别利用聚丙烯酸、戊二醛和可溶性淀粉对水溶性PVA 进行共混交联改性,提高耐水解和耐湿溶胀性能。

图3 非水溶性纱窗

2.2 其他制备PM2.5防护纱窗的方法

除了静电纺丝外,还有如下方法：(1)原位生长纳米纤维材料。魏取福等[11]将纱窗基材浸入细菌纤维素菌液,原位生成细菌纤维素纳米纤维,制得的纱窗如图4所示,对PM2.5的过滤效率为93%～99%。(2)抽滤法。彭新生等[12]将氧化纤维素经过抽滤凝胶化成膜的方法在基底上得到纤维多孔薄膜；然后倒扣在装有PDMS溶液的培养皿顶端上,置于烘箱加热,得到表面疏水的纤维多孔薄膜,可作为阻挡PM2.5的纱窗阻挡层。(3)纤维的负压黏合法。吴睿等[13]先在膜载体表面喷洒强力液体固化胶,然后将纳米纤维短丝喷洒在膜载体上,经负压反向吸丝加固,最后热轧处理,即制得一种纳米纱窗。

图4 原位生长纳米纤维纱窗

3 结语

虽然PM2.5防护窗纱取得一定成效,但是实际使用时,雨滴和日晒对纱窗隔离效果影响如何,随着长时间使用微小颗粒吸附在窗纱表面,对PM2.5隔离效果和使用寿命影响如何,均缺少相关研究；另外也缺少纱窗PM2.5测试方法的研究,没有统一标准确定PM2.5隔离效果检测。以上方面均需研究人员进一步研究,以便推进PM2.5防护纱窗工业化和普及使用。