孫晚紅，惠嵐峰

（中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津300457）

近年來，諸如PM2.5 之類的環(huán)境污染越來越嚴重，凈化氣體的方案也層出不窮，但由于大氣中大多數(shù)有害物質(zhì)顆粒直徑小， 傳統(tǒng)空氣過濾材料的大孔徑結構對小粒徑微塵顆粒物幾乎沒有過濾效果[1]；一般來說， 過濾材料的過濾效率與雜質(zhì)的直徑及濾紙的孔徑有很大關系。 由于納米過濾材料具有直徑小、比表面積較大的性質(zhì)，因此可以廣泛地使用到氣體過濾材料中[2]，如碳納米管（CNTs）、碳納米纖維、納米纖維素（NCC）、聚酰亞胺納米纖維等。但納米材料的力學機械性能弱， 難以承受過濾時氣流的高強度壓力，容易出現(xiàn)“破損”現(xiàn)象，降低過濾效率，因此研究中往往使用一種力學機械性能強、 簡單易制備的材料，如碳纖維、滌綸纖維、玻璃纖維（GF）、纖維素纖維、 聚酰亞胺纖維、 芳綸纖維和聚乙烯醇纖維等，將其與納米材料復合來制備空氣濾紙。

空氣濾紙的主要指標[3]為厚度、阻力、過濾效率、機械強度、疏水性和可燃物含量等，其中關鍵指標是過濾效率、過濾阻力和強度。 過濾阻力的大小，不僅直接影響過濾效率， 更涉及到過濾器使用的能耗問題，因此如何實現(xiàn)高效低阻、降低能耗，是空氣濾紙材料技術創(chuàng)新的重點。

1 部分力學增強層纖維及其濾料

1.1 玻璃纖維及其濾料

玻璃纖維與自然界中的纖維材料相比， 有抗菌性、比重較高、化學性能穩(wěn)定，且對污染物顆粒的截留效果更突出[4]， 在過濾材料生產(chǎn)上具有極大的優(yōu)勢。 利用玻璃纖維抄造的空氣濾紙透氣性好、耐水、耐熱、耐油，可以應用于對氣體質(zhì)量需求較高的領域[5]。但是， 單純玻璃纖維為核心材料的濾紙存在明顯不足之處：紙張強度低，在高溫環(huán)境下易破損，在一定的過濾效率下對污染物顆粒的尺寸要求比較高。

1.2 芳綸纖維及其濾料

芳香族聚酰胺纖維的物理機械性能優(yōu)異： 吸濕性強、密度小、耐高溫、生命周期長、模量高[6]，已在很多高溫氣體過濾領域得到應用， 利用芳綸纖維制備的空氣濾紙質(zhì)量輕、化學穩(wěn)定性強，具有絕緣、防火功能，對高溫氣體的過濾作用十分有效[7]。

單純利用芳綸纖維為核心材料制備的濾紙在實際應用中仍然有比較突出的缺點， 例如對紫外輻射抵抗性差、親水性強、易壓縮等。

1.3 陶瓷纖維及其濾料

陶瓷纖維的優(yōu)勢是耐高溫、纖維狀輕質(zhì)，同時其具有煙氣催化轉(zhuǎn)化、脫硫、脫硝、不親水等功能[8]，相比玻璃纖維、碳纖維等，其耐火性能更優(yōu)異，耐高溫可達1 100～2 200 ℃， 因此被廣泛應用于高溫煙氣過濾領域。 陶瓷纖維濾料較大的比表面積使得其過濾效率達到99.0%以上，且熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性等較好，主要應用于爐窯工業(yè)等高溫作業(yè)場所[9]。

但是， 陶瓷纖維過濾器普遍存在強度較低且過濾阻力高的問題[10]，因此要重視清灰設計，提高清灰強度，以降低過濾阻力。

1.4 碳纖維及其濾料

碳纖維的基本元素是碳，因此具有一般碳素材料的特性，其纖維柔軟、耐腐蝕、質(zhì)量輕便于運輸、可加工性能好、比強度和比模量高，在化纖的耐高溫性能中居于首位。 但是，碳纖維材料易被氧化且脆性強[11]。

活性碳空氣過濾器有發(fā)達的微孔結構， 因此可有效吸附酸性氣體、堿性氣體、惡臭、甲醛、苯等苯類、酚類、醇類、酯類、醛類等有機氣體及各種含少量重金屬的氣體。 由于過濾時的攔截效率高， 故可大量地凈化空氣。

2 幾種納米級空氣過濾材料的特性及應用領域

2.1 碳納米管復合過濾材料

碳納米管具有納米級的徑向尺寸、 微米級的軸向尺寸，孔隙結構豐富，化學穩(wěn)定度高，質(zhì)量極輕[12]，可以聚集很多有機和無機的化合物， 是常用的吸附材料之一[13]。由于具有納米級尺寸、比表面積大等優(yōu)點，且具有吸附效果和抗菌性[14－15]，可以將其加入到其他材料中制備成空氣過濾材料， 目前研究比較多的是將碳納米管抗菌性能應用到高效過濾領域。

2.1.1 碳納米管/玻璃纖維復合空氣過濾材料

將CNTs 與GF 等復合制備為過濾材料，經(jīng)過各種性能指標測試， 觀察成品濾紙的制備效果。 在胡庭維等[16]的研究中，將碳納米管在濃硝酸等的氧化下處理，再用甲醇等分散劑分散，使用不同硅烷偶聯(lián)劑及縮合劑處理制備成分散液， 同時將直徑為1～6.5 μm 的玻璃纖維材料與棉纖維按一定比例混合， 再將前者與后者按1∶1 000/10 000 的質(zhì)量比混合，抄造時施以聚氨酯黏合劑，所得空氣濾紙厚度為330～350 μm，碳納米管在空氣濾紙中分布均勻并均勻纏附結合在玻璃纖維上， 所得空氣濾紙對空氣中粒 徑 大 于0.3 μm 的 顆 粒 去 除 率 為99.998%～99.999%， 對 粒 徑 大 于0.1 μm 顆 粒 的 去 除 率 為99.97%～99.99%，空氣阻力為280～300 Pa。由此研究可知此種復合方法具有高過濾效率以及低阻力。

2.1.2 碳納米管/鎳纖維/石英膜復合空氣過濾材料

Karwa 等[17]于2012 年在鎳表面生長出了碳納米管， 生長了碳納米管的鎳過濾材料的過濾效率和影響因子得到了提高。 該研究認為， 由于鎳纖維表面包裹著碳納米管， 使得鎳纖維從光滑表面纖維變成了帶“刷子”的表面結構，導致纖維與顆粒物的接觸幾率大為增加，從而提高了材料的過濾效率。

在碳納米管的制備方法中， 只有化學氣相沉積法能在目標材料上直接生長碳納米管。 在李政等[18]的研究中， 選擇石英纖維膜作為多級結構碳納米管材料的生長基底，以二茂鐵（環(huán)戊二烯基鐵）作為催化劑，從而使得碳源（乙烯）在石英纖維膜表面生長出碳納米管。 結果顯示碳納米管能夠均勻地沿著石英纖維纏繞生長， 并且有很好的孔徑特性和熱穩(wěn)定性，孔隙率也沒有下降，該材料從結構上滿足碳管多級結構過濾材料的要求。在材料的阻力特性方面，碳納米管多級材料的阻力隨著濾速的增大上升的較快；材料的效率測試結果顯示，加載碳納米管后，材料對顆粒物的過濾效率趨勢為先降后升， 過濾效率增至99.994 3%。 質(zhì)量因子是衡量材料阻力和效率的綜合指標， 研究發(fā)現(xiàn)加載碳管后多級結構材料的質(zhì)量因子大大提高。

2.2 碳納米纖維復合過濾材料

碳納米纖維除了密度低、比模量高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點外，還具有吸附能力強勁、比表面積大、構造緊密等高效空氣濾紙所具備的優(yōu)點[19]，其一些特性和應用方向與CNTs 類似，但更容易用于工業(yè)化制備。

胡庭維等[16]將碳納米纖維與玻璃纖維復合制備了空氣過濾材料。 研究中選用長度120～150 nm 的碳納米纖維，在濃硫酸與濃硝酸等的氧化下處理，再用分散劑、硅烷偶聯(lián)劑及縮合劑等處理，制備成分散液；同時，將直徑為5～10 μm 的玻璃纖維材料與直徑為0.1～5μm 的棉纖維按1∶3～1∶5.5 的質(zhì)量比混合，再將前者與后者按1∶3 000/10 000 的質(zhì)量比混合，抄造時施以丙烯酸樹脂或聚氨酯等黏合劑， 所得空氣濾紙厚度為300～370 μm，碳納米管在空氣濾紙中分布均勻，所得空氣濾紙對空氣中粒徑大于0.3 μm的顆粒去除率為99.97%～99.98%，對粒徑0.1 μm 顆粒的去除率為99.9%～99.99%，空氣阻力為300 Pa。

2.3 納米纖維素復合過濾材料

納米纖維素是來源廣泛、 可生物降解的可再生材料[22]，其擁有很多功能優(yōu)點，如高純度、高強度、高聚合度、高結晶度、高親水性、高透明性、高楊氏模量和超精細結構等[20]；而且其密度小、重量輕、比表面積大、孔隙率高、吸附能力強、綠色環(huán)保無毒[21]，因此非常迎合空氣吸附和過濾材料的性質(zhì)。

藍海等[22]用NCC/木漿纖維制備空氣濾紙，較GF 空氣濾紙而言，常用于車輛尾氣處理的木漿纖維過濾紙來源普遍、前景較好。 在他們的研究中，將納米纖維素浸涂在木漿纖維空氣濾紙的外層， 由于NCC 表面游離羥基的存在，可以與紙張發(fā)生化學結合作用， 研究發(fā)現(xiàn)復合納米纖維素后紙張的一些強度明顯提高，尤其是抗張強度和耐破度，雖然這種空氣濾紙的透氣度平均降低了6.5%，但相對過濾效果可忽略，在納米纖維素吸附到紙張外層后，比表面積明顯增大， 使得纖維有效攔截及吸附污染物微小顆粒的作用增強，達到凈化空氣的目的。

2.4 聚酰亞胺納米纖維復合過濾材料

芳香族聚酰亞胺（PI）是一種具有耐熱性能、高強度、抗化學腐蝕性強的高分子材料，也是一種熱點研究材料[23]。 在制備PI 的技術中，靜電紡絲法可以連續(xù)制備出聚酰亞胺納米纖維，再通過熱亞胺化法得到聚酰亞胺納米纖維，此種技術對制備納米纖網(wǎng)有著巨大的貢獻，制備得到的PI 納米纖網(wǎng)被廣泛用于過濾、傳感器、生物技術、催化和防護服等諸多領域。

2.4.1 聚酰亞胺納米纖網(wǎng)多尺度復合體過濾材料

在王倩楠[1]的研究中，分別選用GF、CF 以及芳綸纖維各自的機織物作為力學增強層材料， 選用靜電紡納米纖網(wǎng)作為過濾層材料， 結合制備出多尺度復合高溫氣體過濾材料。 研究得出這幾種機織物制成的復合濾料的過濾效率相差甚微， 材料經(jīng)熱處理后，碳纖維機織物的熱力學穩(wěn)定性最好，適合作為復合濾料的增強層材料。 聚酰亞胺納米纖網(wǎng)復合碳纖維機織物制備的空氣濾紙在一定風力條件下經(jīng)過連續(xù)近20 min 的過濾處理后，過濾效率為99.99%，而過濾壓降僅為230 Pa。 這種高的過濾效率歸結于PI納米纖網(wǎng)和CF 機織物的耐高溫性和結構穩(wěn)定性。

2.4.2 聚酰亞胺(P84)納米纖維復合過濾氈

在尚磊明等[24]的研究中，分別使用靜電噴霧法和靜電紡絲技術將高溫黏合劑、 芳綸無紡氈層及可溶性聚酰亞胺納米纖維三種材料復合制備成耐高溫過濾氈。 通過性能檢測得出， 多層過濾氈的黏結強度超過1 000 kPa，由于納米級材料的加入，使得這種復合材料的過濾效率提高， 對模擬氣溶膠顆粒的過濾效率超過99.5%，另外發(fā)現(xiàn)，黏合劑的加入對過濾性能的影響較小，卻增強了過濾氈的機械強度。

3 結論與展望

由一種或幾種傳統(tǒng)纖維制備而成的空氣濾紙，其過濾精度和產(chǎn)品質(zhì)量相對較差， 應用領域無法得到拓展； 但是在與各種納米材料復合后所得的多尺度納米復合體過濾材料，不僅過濾效率大幅度提高，對空氣中塵埃微粒的過濾效果明顯， 而且由于增強層的存在， 一些空氣濾紙所必備的指標如抗張強度明顯增大。由此可見，復合了納米材料的空氣濾紙的各項指標均滿足標準要求，可以提高紙的附加值。

在新的工況要求和新的市場環(huán)境下， 選擇高效適宜的空氣濾紙可以為企業(yè)帶來降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效益、提高環(huán)境友好性等多重效益。在各種性能優(yōu)異的碳納米材料中， 發(fā)現(xiàn)與應用領域匹配的材料性能不僅可以促進對材料的開發(fā)與利用， 更重要的是提高效益、降低成本、提高生活質(zhì)量均是目前發(fā)展所追求的。