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纳米技术在空气过滤材料中的应用与研究【摘要】：空气过滤材料是利用过滤介质将空气中一定体积的固体物质截留，或者和空气中的杂质发生吸附反应作用，而空气通过介质被净化。 在空气过滤材料中运用纳米技术可以有效的提高材料的复合型和功能性。目前纳米技术主要的应用现状集中在纳米纤维和纳米微粒这两个方面，本文主要介绍了这两方面的应用与研究。其中纳米纤维的比表面积大其所构成的纤维毡孔隙率高，且内部孔隙连通性好，容易与纳米级粒子结合，非常适合用作过滤分离材料；而当一维纳米颗粒大小达到纳米级(0.1nml00nm)时，其各种性质(如机械强度、磁、光、声、热等)都将发生变化，并具有辐射、吸收、吸附等许多新性能，可以有效的提高过滤作用的效率。【关键词】：纳米技术 纳米纤维 纳米颗粒 空气过滤Abstract:Materials for air filtration is the use of filter media is in the air of a certain volume of solids retention, or impurity adsorption reaction occurs and the air, and air is purified through media. Application of nanotechnology in materials for air filtration can improve compound and functional materials. Present application status of nano-technology is mainly concentrated in the nanofibers and nano-particles, these two things, this paper mainly introduces the application and research of these two areas. Of which Nano-fibers surface area is larger than others.Its by constitute of fiber felt pore rate high, and internal pore connected sexual good, easy and nano-level particle combination, very for as filter separation material; and When a dimension nano- particles size reached nano-level (0.1nml00nm) , its various nature (as machinery strength, and magnetic, and light, and sound, and hot,) are will occurred changes, and has radiation, and absorption, and adsorption,and many other new performance, It can effectively improve efficiency of filtering role . Keywords: Nanotechnology Nano-fiber nano-particles air filter一、纳米技术1 纳米技术的发展及特征1.1 纳米材料的发展 lnm等于十亿分之一米。纳米技术就是在纳米尺度内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性生产出具有某些特定功能产品的高新技术。回顾历史，我们知道，纳米技术的构想是70年代提出来的。1984年，德国研制成功第一种金属纳米材料。1987年，美国研制成功二氧化钛纳米材料。1990年纳米材料。1990年第一届国际纳米技术会议在美国召开，这标志着纳米技术的诞生。在我国，中科院、清华大学、北京大学等单位已形成了一支从事纳米研究的队伍，我国的纳米基础研究已跻身世界前列。1991年钱学森就提出：“纳米左右及纳米以下的结构是下个阶段科学发展的重点，是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”到2005年为止，国内纳米技术应用发展势头较好的行业有精细化、纺织、建筑、轻工、电力、材料工业、涂层、包装。1.2 纳米材料的特征1.2.1 表面效应随着粒子尺寸减小，表面积大大增加，而表面积粒子缺少相邻原子的配位，所以表面能大，极不稳定，很容易与其它原子结合，表现出很高的活性。1.2.2 小尺寸效应当粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，在声、光、电磁、热力学等特征方面均会出现新的效应。1.2.3 量子尺寸效应当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级使能隙变宽现象均称之为量子尺寸效应。1.2.4 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒能力，称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实用都有重要意义。2 纳米技术在功能纤维中的应用2.1 抗紫外线紫外线具有杀菌和促进人体内维生素D合成的作用，但同时亦会加速人体皮肤老化和癌变的可能。近二三十年来，臭氧层不断受到破坏，使紫外辐射强度剧增，太阳光中穿过大气层辐射到地面的紫外线占总能量的6，它构成对人体健康的严重威胁。研究表明，纳米TiO2，ZnO2，SiO2，Al2O3，Fe2O3和纳米云母都具有吸收紫外线的特征，如果将少量的纳米颗粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象。2.2 抗静电化学纤维在加工和使用过程中，由于静电摩擦带来许多不便，例如，使用过程中产生的静电易吸附灰尘，影响穿着舒适性。特殊行业中，纺织品所带来的静电可能会造成一些安全隐患。纺织生产中易缠绕胶辊，机器框架等，造成生产困难，工艺难以控制。纳米颗粒为解决化纤静电问题提供了一个新的途径。TiO2，Cr2O3ZnO，Fe2O3等具有半导体性质的粉体掺入其中就会产生良好的静电屏蔽性能，另外。MgO、ZnO、Fe2O3。等纳米颗粒制成的导电纤维也是解决静电问题的一个有效方法，而且，这些导电纤维的无色特征使得其后道产品的开发空间更广阔。2.3 抗菌除味一些金属粒子如银、铜、铁等，可通过释放出微量的金属离子，与带负电荷的菌体蛋白结合而使细菌变形或沉淀，从而达到杀菌的作用。金属离子中，银离子的抗菌性最好，但是，它对人体的健康有害，这势必会影响了它的出口贸易，使其推广运用受到限制。所以，利用纳米颗粒来完成抗菌除味的作用，是一种有效、安全的方法。纳米级TiO2，ZnO，CuO等在空气和水分存在的环境里，自行分解出自由电子并产生带正电荷的空穴，从而达到抗菌消臭的目的。二、纳米技术在空气过滤材料中的应用 随着科学技术和现代化工业的不断发展，人们也越来越重视室外环境空气质量和室内空气品质，使得空气过滤材料在环境治理中担任着日益重要的角色，对空气过滤材料不论在功能性和复合性都提出了新的要求。空气过滤材料是利用过滤介质将空气中一定体积的固体物质截留，或者和空气中的杂质发生吸附反应作用，而空气通过介质被净化。在空气过滤材料中，功能性空气过滤材料是近年来在该领域兴起的一个热点，多功能复合的研究非常活跃，同时纳米技术的出现与发展给各个相关行业的发展带来了新的动力。1 空气过滤材料(滤料)的发展现状空气过滤是通过滤料来进行的，空气过滤材料是空气过滤中相当重要的部件，其发展直接决定着空气过滤技术的发展。现有的空气过滤材料大体上可以分为以下三部分。1.1 纤维滤料纤维滤料拥有比表面积大、体积蓬松、价格低廉、容易加工等特点，而其中又以非织造纤维材料最为突出。非织造纤维材料不仅具有一般纤维滤料原有的优势，而且具有成布工艺短、成本低和过滤性能好等特点，现已成为空气过滤材料的主导产品。非织造滤料主要的生产方法为针刺法和熔喷法。主要的原料为聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚酰胺等，无机纤维有玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。1.2 复合滤科复合滤料是将不同性能的纤维交织在一起形成的滤料，以克服单一纤维滤料在性能上的缺陷。如玻璃纤维与涤纶复合滤料，可兼具玻璃纤维滤料的耐温、耐腐蚀、高强度、低阻力，以及涤纶的耐折、耐磨性好的优点。1.3 功能性滤料新型滤料即功能性滤料，是针对特定行业(如耐高温、耐腐蚀、抗静电、拒水、拒油、阻燃、清除有害气体等)而开发的空气过滤材料，正越来越多地应用于工业烟气处理、室内空气净化等领域。2 纳米技术在空气过滤材料的应用与研究纳米技术主要的表现形式为纳米纤维和纳米微粒。其中纳米纤维的比表面积大其所构成的纤维毡孔隙率高，且内部孔隙连通性好，容易与纳米级粒子结合，非常适合用作过滤分离材料；而当一维纳米颗粒大小达到纳米级(0.1nml00nm)时，其各种性质(如机械强度、磁、光、声、热等)都将发生变化，并具有辐射、吸收、吸附等许多新性能，可以有效的提高过滤作用的效率。2.1 纳米纤维在空气过滤材料的应用与研究 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。利用静电纺丝方法能够得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维，形成的纤维毡重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合，很适合用作过滤材料。由于纳米纤维具有较大的比表面积，所以增加了空气中悬浮微小颗粒在其表面沉积的概率，从而提高了其除尘的效率。与传统纤维相比较，电纺纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大等优点，空气过滤过程中在同样气压损失的情况下，电纺纳米纤维对于颗粒过滤的直接拦截效应和惯性冲击效应更为显著，有利于提高薄膜的过滤效率。电纺纳米纤维在空气颗粒过滤中的优势，使其将逐步取代传统纤维薄膜应用于各种高效空气过滤装置中，因此电纺纳米纤维在空气过滤应用中的巨大潜力吸引了越来越多的关注。壳聚糖作为天然可降解生物材料，因其特有的生物相容性和降解性，一直以来都是研究的重点，大量报道介绍了壳聚糖的混纺，如壳聚糖聚乙烯醇(CSPVA)、壳聚糖聚氧化乙烯(CSPE0)、壳聚糖丝素(CSSF)等，都成功纺制出了具有稳定细度和一定抗菌效果的功能性纤维。 王晗等人采用静电纺丝的方法，制造出不同直径的纳米纤维薄膜。低风速下进行空气过滤实验，建立初步分析模型，分析了纤维直径和过滤性能间的关系。Kim等人在聚碳酸酯氯仿溶液中添加苄基三乙基氯化铵，静电纺丝得到纤维直径为1.08.1微米的纤维毡，进行革兰氏阴性、阳性菌和克雷伯氏菌的抗菌测试。发现18h后细菌减少了99.9，与商品HEPA材料相比，该抗菌纤维过滤材料具有更高的过滤效率。纳米纤维的加入使得空气过滤材料的过滤效率有了大幅度的提高，由于纳米纤维直径以及纤维结构形态等因素，对于纤维薄膜空气过滤效果的影响机制日前已经处于了深入探索研究阶段。因此，如果纳米纤维用于空气过滤薄膜实际操作过程中遇到的问题以及滤料附加功能性整理相关问题能够得以解决，将使纳米纤维在过滤工业中发挥更大的作用。2.2 纳米微粒在空气过滤材料的应用与研究一维纳米颗粒大小达到纳米级(0.1nml00nm)时，其各种性质(如机械强度、磁、光、声、热等)都将发生变化，并具有辐射、吸收、吸附等许多新性能，可以有效的提高过滤作用的效率。目前最有发展前景的纳米微粒空气过滤材料应该是纳米TiO2光催化材料，它能将有害气体(如NH3 、NOx、SO2、VOCs等)降解为CO2、H20及相应的无机离子，具有在常温下就能反应、无二次污染的优点，能够有效的消除有害气体。西安工程大学黄翔等人对功能性空气过滤材料进行了深入的研究，并取得了阶段性进展。采用吸浸与涂层相结合的方法将纳米TiO2与针刺毡结合制备出了具有拒水拒油功能，能有效去除甲醛等有害气体的纳米光催化功能性空气过滤材料。陈超等人制备出纳米Ti02粒子，与聚丙烯腈(PAN)的N,N一二甲基甲酰胺(DMF)溶液共混后，成功纺制出具有光催化活性的Ti02PAN纳米纤维毡。2.3 纳米技术在羊毛空气过滤纤维中的应用纳米纤维和纳米微粒有效的结合使用，可以同时最大限度的发挥两者的优势，给空气过滤材料的发展的指引了新的方向。羊毛是一种天然蛋白质纤维，具有独特的形态结构及物理、化学性质。当羊毛受到摩擦时会通过织物表面的毛羽向周围空气放电，从而加剧空气电离后负离子的产生；同时羊毛本身对空气中的有害物质具有较好的吸附作用，其原因是羊毛纤维有一个最显著的特点，即具有很多内外贯通的微孔，其吸附机理可以用微孔填充理论(TvFM)来描述，而且羊毛还能完全或部分地分解各类有机污染物，使其最终生成对人体无害的物质。通过实验得出，羊毛对空气中低浓度的甲醛具有较好的吸附作用，其中羊毛织物的甲醛降解率为74，羊毛纤维的甲醛降解率为69.3。羊毛纤维通过静电摩擦，负离子的发射量可达5000个cm3以上，对空气具有较好的净化作用。利用纳米光催化材料和负离子材料对羊毛纤维进行功能性整理，以羊毛纤维作为功能性空气过滤材料的基材，将纳米光催化剂和超微负离子材料负载羊毛过滤材料中，利用羊毛纤维的天然吸附特性提高光催化降解低浓度有害物的效率；利用光催化进一步加快有害气体的去除速度，并使其具有稳定的光催化效果及良好的抗菌功能；同时利用负离子材料持续散发负离子的功能来提高羊毛过滤材料产生负离子的稳定性和持久性。三、总结纳米技术因其独特的性能，而在医药、抗菌、化妆品、食品等方面取得了广泛的应用。现在各国都发现了纳米技术优势，都在积极的发展。纳米功能性空气过滤材料将会是又一个热点，纳米技术和空气过滤材料领域跨学科的结合能够更快的加速两个学科的发展虽然目前纳米技术的理论还不是很完善，但纳米技术诱人的应用前景必将激励广大科研工作者在该领域和相关产业中的不断探索。参考文献1刘道清空气过滤技术研究综述J环境科学与管理，2007(5)：1091132任红轩鄢国平纳米科技发展宏观战略M化学工业出版社，2008(1)：233Jia Y T。Gong J，Gu X H，et a1Fabrication and characterization of poly(vinylalcoho1)chitosan blend nanofibers produced by electro