空气净化面料的开发及性能表征

徐佩珊,孙淑文,陈 露,陈丽莎,陈婷婷,吕海宁

(嘉兴学院南湖学院,浙江 嘉兴314001)

纳米TiO2光催化剂在光的激发下产生活性自由基,可以分解环境中的污染性物质[1],该技术的研究开发在日本及欧美等一些发达国家已取得比较成功的应用,掀起了革命性的光催化净化浪潮。目前纳米TiO2光催化剂已经成功地应用于污水处理、空气净化、抗菌防臭、表面防污自洁、饮水处理等领域[2-8]。类似于纳米TiO2这样的光催化材料还具有能耗低(可利用太阳能)、可在常温常压下进行、反应速度快、可重复使用、无二次污染等优点。光催化技术是治理污染物降解的有效途径,但如何实现污染物的循环利用是目前的一个关键问题。

Fatemeh Emami等[9]采用纳米TiO2对锦纶6织物进行处理得到了在紫外或日光照射下具有空气净化效果的产品;中科院王艳艳等[10]采用纳米TiO2和碳纳米管层层自组装的方法对棉织物进行处理得到了空气净化效果良好的面料;韩国Taeyoung Jeong等[11]将纳米TiO2和PVA 采用静电纺的形式喷涂在涤纶无纺布上,在不同光源下测试了材料对色素的光催化降解效果,结果表明无论是在紫外光还是可见光或灯光照射条件下材料的光催化降解效果均很好。

本文针对纳米TiO2粉末对纯棉和纯涤织物进行浸轧处理,研究了纳米TiO2分散液浓度、p H 值、焙烘温度等各项工艺条件,以及整理后的纯棉和纯涤织物对甲醛气体的净化效果。

1 试验部分

1.1 仪器和材料

化学试剂 氢氧化钠(沧州市晟昱化工产品有限公司);碳酸钠(东营市欧斯丹商贸有限公司);纳米TiO2光触媒粉体(5 nm,宣城晶瑞新材料有限公司);分散剂NNO(上虞市创峰化工有限公司)。

织物 经过前处理的纯棉梭织物,经纬纱线线密度均为20 tex,经纬密分别为236 根/10 cm×236 根/10 cm,幅宽150 cm;经过前处理的纯涤梭织物,经纬纱线线密度均为14 tex,经纬纱密度293 根/10 cm×255 根/10 cm,幅宽155 cm。

仪器 GTSG-40实验室轧辊机(晶科诺尔自动化科技有限公司);752N 紫外可见光光度仪(深圳三利化学品有限公司);CP114电子天平(奥豪斯仪器有限公司);M-TENTER 连续式小样定型机(佛山市顺德区容桂荟宝染整机械厂);p HS-3C实验室p H 计(上海梅特勒-托利多仪器有限公司);QHX-1000 1 m3甲醛环境气候箱(济南凡泰自动化科技有限公司);LUYOR-3115台式实验室用led紫外灯(无锡市君达仪器有限公司);722 分光光度计(上海力辰科技仪器有限公司)。

1.2 试验方法

称取粒径为5 nm 的纳米TiO2光触媒粉体5 g,放入洗净的200 ml烧杯中,加入分散剂NNO 2 g/L,加水搅拌溶解。将溶解的纳米TiO2粉末放入500 ml容量瓶中,加水至刻度线,充分摇匀,配得10 g/L 的纳米TiO2分散液母液。

将纳米TiO2分散液母液配成250 ml试验所需溶液,浓度分别为1、1.5、2、2.5、3 g/L。采用粉体分散法对涤纶织物和棉织物进行整理,根据需要的p H 值加入碳酸钠或氢氧化钠。在不同温度下对织物进行焙烘,测定其甲醛降解率。

棉织物整理工艺:

二浸二轧(轧液率75%)→预烘(70 ℃,5 min)→焙烘(x ℃,5 min)。

涤纶织物整理工艺:

二浸二轧(轧液率75%)→预烘(100 ℃,2 min)→焙烘(y℃,2 min)。

测量密闭空间内的甲醛含量,计算得到24 h甲醛降解率。

甲醛初始浓度为0.2 mg/m3,甲醛降解率计算公式如下:

式中C—— 甲醛降解率,%;M0—— 密闭空间甲醛的初始浓度,mg/m3;M1——24 h后密闭空间内甲醛浓度,mg/m3。

2 各因素对织物空气净化降解效果的影响

2.1 pH值对甲醛降解效果的影响

2.1.1 棉织物浸轧液pH值对甲醛降解效果的影响

在不同反应p H 值条件下,紫外光照射下TiO2整理棉织物24 h甲醛的降解率。其中纳米TiO2浓度分别是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

图1 棉织物的TiO2处理液p H 值对甲醛降解影响的效果

由图1得出:纳米TiO2对甲醛的降解率随着反应p H 值而变化,当p H 值为10～11时,纳米TiO2对甲醛的降解率达到最高时,降解效果最好,纳米TiO2表面带负电。当p H 值较小的时候,对纳米TiO2的作用会大大降低,TiO2的表面会形成 Ti—OH 键,使得TiO2粒子表面带正电。随着p H 值的增大,TiO2表面带的正电荷会减少,双电层会变薄,粒子间的排斥力位能减小,纳米粒子易发生团聚,分散性能变差。

2.1.2 涤纶织物浸轧液p H值对甲醛降解效果的影响

不同反应p H 值条件下,紫外光照射下TiO2整理涤纶织物24 h甲醛的降解率。其中纳米TiO2浓度分别是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

图2 涤纶的TiO2处理液p H 值对甲醛降解效果的影响

由图2得出:纳米TiO2对甲醛的降解率随着反应p H 值而变化,当p H 值为11～12时,纳米TiO2对甲醛的降解率达到最高,降解效果最好,纳米TiO2表面带负电。涤纶纤维在碱性条件下表面有轻微刻蚀作用,产生的自由基更容易吸附纳米粒子,因而负载的纳米TiO2量更多,对甲醛的降解效果更好。

2.2 温度对甲醛降解效果的影响

2.2.1 棉织物焙烘温度对甲醛降解效果的影响

将p H 值固定为10,不同焙烘温度下,紫外光照射下纳米TiO2整理棉织物24 h 甲醛的降解率。纳米TiO2浓度分别是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

图3 棉织物不同焙烘温度对甲醛降解效果的影响

由图3得出:焙烘温度在120 ℃时,纳米TiO2在棉织物上的负载效果最好,对甲醛降解的效率最高;随着焙烘温度的升高,甲醛的降解效果会更好一些,但是温度过高,棉织物就会变黄,手感变差,这可能是由于棉织物前处理中所用助剂受热变性所致。

2.2.2 涤纶织物焙烘温度对甲醛降解效果的影响

p H 值固定为10,不同定型温度下,紫外光照射TiO2整理棉织物24 h甲醛的降解率如图4所示。纳米 TiO2浓度分别是1、1.5、2、2.5、3 g/L。

图4 涤纶焙烘温度对甲醛降解影响的效果

由图4得出:焙烘温度在150 ℃时,纳米TiO2在涤纶物上的负载效果好,对甲醛的降解效率最高。

2.3 织物表面沉积情况对甲醛降解效果的影响

经纳米TiO2整理的织物表面扫描电镜图如图5所示。

图5 经过TiO2处理后的织物电镜图

由图5可以看出:纯棉织物中棉纤维的天然扭曲变得不明显,而涤纶表面明显有碱刻蚀作用而形成的纵向条纹,纳米TiO2在涤纶表面沉积量比棉织物表面附着量多些。当纳米TiO2(2.5 g/L)以分散液的形式在织物上浸轧,在纳米TiO2分散液中呈碱性,使得纳米TiO2周围p H 值上升,粒子表面带的正电荷相对减少,TiO2粒子双电层变薄,粒子间的斥力位能减小,纳米粒子会发生团聚,均匀性变差,分散性能变弱。从织物表面TiO2附着量的多少可以推测涤纶织物的空气净化能力比棉织物要稍好些。

2.4 洗涤次数对甲醛降解效果的影响

将标准皂片按照浴比1∶30的比例配制皂液,然后将纯涤织物和纯棉织物在60℃下洗涤3～5 min,再用清水清洗,然后烘干为洗涤一次,后续洗涤重复上述操作。

图6 洗涤次数对甲醛降解效果的影响

由图6得出:不论是棉织物还是涤纶织物,随着洗涤次数的增加,对甲醛的降解率都会下降。由此可得出用纳米TiO2对织物整理的效果,随着洗涤次数的增加,效果会变差。

3 结语

通过纳米TiO2分散液负载到纯棉与纯涤纤维上,在紫外光的照射下,产生自由基,能够去除空气中的污染物。其中纯棉织物的最佳整理工艺为:纳米TiO2分散液浓度为2.5 g/L,浸轧液p H 值为10,焙烘温度为120 ℃。纯涤织物的最佳整理工艺为:纳米TiO2分散液浓度为2.5 g/L,浸轧液p H 值为12,焙烘温度为150 ℃。对比2种织物,涤纶织物的效果要比棉织物的效果好一些。棉织物最大甲醛净化率达到60%左右,而涤纶的能达到68%左右。说明此种整理方法比较适合涤纶织物。