王 萌

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州 510663)

在汽車尾氣、燃料燃燒、吸煙等的排放物中,存在大量PM2.5細(xì)顆粒物,即直徑小于等于2.5μm 的顆粒,其不僅是導(dǎo)致霧霾天氣的重要原因,還因粒徑超小,可被人體直接吸入,誘發(fā)炎癥、哮喘等呼吸道和心血管等疾病,影響人體健康。普通紗窗僅能屏蔽蚊蟲,并不能隔離微細(xì)顆粒,雖然通過(guò)增大網(wǎng)格目數(shù),或在其上貼一層吸附材料,對(duì)防塵有一定效果,但是不能有效解決室外霧霾天氣下室內(nèi)的PM2.5濃度問(wèn)題。因此,研制一種PM2.5防護(hù)紗窗具有應(yīng)用價(jià)值。

1 PM2.5防護(hù)紗窗的制造機(jī)理

為了使紗窗具有PM2.5捕獲能力,一般是在紗窗基材上復(fù)合一層多孔的納米纖維層,這樣既隔離了PM2.5,又使得紗窗具有一定的透明度和透風(fēng)性,不影響室內(nèi)采光和通風(fēng)透氣。納米纖維材料之所以能防護(hù)PM2.5,主要是因?yàn)榧{米纖維直徑小,制備成纖維材料例如無(wú)紡布時(shí),隨著纖維直徑減小,單位面積內(nèi)纖維根數(shù)會(huì)顯著增加,纖維之間的間隙減小,有利于攔截PM2.5；同時(shí)纖維直徑的減小,纖維材料的比表面積會(huì)顯著增加,提高了超細(xì)顆粒與纖維接觸而被吸附的幾率。

2 PM2.5防護(hù)紗窗的制備

2.1 靜電紡絲形成納米纖維層

靜電紡絲能夠直接且連續(xù)制備直徑很小的微納米纖維,因而形成的纖維材料孔隙率高,且孔隙高度互通；通過(guò)對(duì)成絲體系和紡絲參數(shù)的調(diào)整,可有效調(diào)控纖維膜的厚度、孔隙分布,改善其過(guò)濾效率,因此,靜電紡絲是制備PM2.5防護(hù)紗窗的常用方法。林承浩等[1]在紗窗基材至少一面上復(fù)合至少一層靜電紡絲納米纖維材料層,靜電紡絲纖維之間無(wú)規(guī)則交錯(cuò)的結(jié)構(gòu),使之形成的空隙較小,從而為過(guò)濾細(xì)顆粒物提供了基礎(chǔ)。趙明良等[2]采用熱塑性聚氨酯的二甲基甲酰胺溶液進(jìn)行靜電紡絲,將其沉積在玻璃纖維紗網(wǎng)上,制得可隔離PM2.5的防霧霾紗窗。

為了調(diào)整納米纖維層的通風(fēng)換氣性、降低過(guò)濾阻力,納米纖維層的纖維從內(nèi)到外直徑可不同；外層使用小直徑纖維,有利于阻隔PM2.5,而內(nèi)層纖維直徑比較大,有利于氣流通過(guò)。丁彬等[3]通過(guò)電場(chǎng)逐級(jí)遞增/遞減技術(shù)以及環(huán)形梯度溶劑蒸汽快速去除裝置,將紡絲液通過(guò)靜電紡絲在紗窗基材上沉積,使得納米纖維層直徑分布在垂直于幅寬方向上呈遞增或遞減排列,制得的納米纖維復(fù)合紗窗材料如圖1所示,可有效除去空氣中的PM2.5、花粉等細(xì)小顆粒物,具有較好的通風(fēng)換氣性能,且高效低阻的性能優(yōu)勢(shì),適合室內(nèi)空氣過(guò)濾除塵。

圖1 納米纖維復(fù)合紗窗材料

雖然靜電紡絲能制得具有PM2.5隔離作用的納米纖維層,但因納米纖維與紗窗基材的結(jié)合強(qiáng)度差,清洗時(shí)納米纖維層易剝離,因而不利于清洗和反復(fù)使用。王迎等[4]在玻璃纖維窗紗上利用靜電紡絲方法沉積聚丙烯腈納米纖維膜制得PM2.5防護(hù)紗窗,雖然聚丙烯腈含有極性基團(tuán),對(duì)空氣中極性有機(jī)顆粒具有吸附作用,可提升過(guò)濾效率,但因聚丙烯腈與玻璃纖維的結(jié)合強(qiáng)度差,成品紗窗無(wú)法進(jìn)行清洗和反復(fù)使用。為了提高納米纖維層和紗窗基材的結(jié)合牢度,一般利用粘合成分促進(jìn)兩者粘合。楊春宇[5]制備了一種紗窗材料,先將含電氣石的紡絲液經(jīng)靜電紡絲技術(shù)使得納米纖維長(zhǎng)絲自由、均勻地噴灑在紗窗基材上,得到厚度均勻的納米纖維膜；再將顆粒狀固體熱壓膠微顆粒均勻地涂布在納米纖維膜上,然后在纖維膜載體的表層覆蓋上一層篩網(wǎng)；最后熱粘合,即得紗窗材料。

另外,為了賦予紗窗多功能性,靜電紡絲液中會(huì)加入功能助劑,或者在紗窗材料中設(shè)置功能層或采用其他助劑進(jìn)行功能整理。吳春芃等[6]將高分子和二氧化鈦納米顆粒共混后進(jìn)行靜電紡絲沉積于紗窗基材上,制備的紗窗具有很好的疏水性,能阻擋雨水對(duì)室內(nèi)的侵襲,并能自然清洗紗窗,且可光催化降解甲醛等有害氣體,保持室內(nèi)空氣新鮮。何丹農(nóng)等[7]利用靜電紡絲將納米纖維層沉積在窗紗基材,再將纖維素納米晶體涂敷于納米纖維層表面,形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗菌纖維層,最后經(jīng)超聲波復(fù)合法將保護(hù)層與抗菌纖維層、紗窗基材熔接,制得的紗窗如圖2所示。其中納米纖維素晶體抗菌層能夠有效截留空氣中的固體懸浮物、膠體、細(xì)菌等,對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌率達(dá)99%。

圖2 超聲波復(fù)合法紗窗

溶劑型靜電紡絲因采用大量有機(jī)溶劑,會(huì)造成污染；水溶性聚合物進(jìn)行靜電紡絲,雖然不使用化學(xué)試劑,但產(chǎn)品親水易造成溶脹、水解,因此需要抗水解改性。余煜璽等[8]將水性聚氨酯和聚乙烯醇均溶于去離子水,并加入水乳化型的無(wú)溶劑聚異氰酸酯作為固化劑,共混后進(jìn)行靜電紡絲,然后熱交聯(lián)使得納米纖維層由水溶性轉(zhuǎn)變成非水溶性制得的紗窗如圖3所示。李芳穎等[9]將聚乙烯醇/戊二醛共混,利用戊二醛中的醛基與聚乙烯醇的羥基發(fā)生縮醛反應(yīng),降低聚乙烯醇納米纖維膜的水解性。任倩等[10]分別利用聚丙烯酸、戊二醛和可溶性淀粉對(duì)水溶性PVA 進(jìn)行共混交聯(lián)改性,提高耐水解和耐濕溶脹性能。

圖3 非水溶性紗窗

2.2 其他制備PM2.5防護(hù)紗窗的方法

除了靜電紡絲外,還有如下方法：(1)原位生長(zhǎng)納米纖維材料。魏取福等[11]將紗窗基材浸入細(xì)菌纖維素菌液,原位生成細(xì)菌纖維素納米纖維,制得的紗窗如圖4所示,對(duì)PM2.5的過(guò)濾效率為93%～99%。(2)抽濾法。彭新生等[12]將氧化纖維素經(jīng)過(guò)抽濾凝膠化成膜的方法在基底上得到纖維多孔薄膜；然后倒扣在裝有PDMS溶液的培養(yǎng)皿頂端上,置于烘箱加熱,得到表面疏水的纖維多孔薄膜,可作為阻擋PM2.5的紗窗阻擋層。(3)纖維的負(fù)壓黏合法。吳睿等[13]先在膜載體表面噴灑強(qiáng)力液體固化膠,然后將納米纖維短絲噴灑在膜載體上,經(jīng)負(fù)壓反向吸絲加固,最后熱軋?zhí)幚?即制得一種納米紗窗。

圖4 原位生長(zhǎng)納米纖維紗窗

3 結(jié)語(yǔ)

雖然PM2.5防護(hù)窗紗取得一定成效,但是實(shí)際使用時(shí),雨滴和日曬對(duì)紗窗隔離效果影響如何,隨著長(zhǎng)時(shí)間使用微小顆粒吸附在窗紗表面,對(duì)PM2.5隔離效果和使用壽命影響如何,均缺少相關(guān)研究；另外也缺少紗窗PM2.5測(cè)試方法的研究,沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)確定PM2.5隔離效果檢測(cè)。以上方面均需研究人員進(jìn)一步研究,以便推進(jìn)PM2.5防護(hù)紗窗工業(yè)化和普及使用。