CN105817139B - 一种碳纤维室内空气净化器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维室内空气净化器及其制备方法，包括PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置和雾化空气加湿装置，甲醛光催化降解装置位于PM2.5微颗粒物吸附装置和雾化空气加湿装置之间，其中，所述PM2.5微颗粒物吸附装置包括PM2.5微颗粒物吸附层，PM2.5微颗粒物吸附层由热塑性纤维织物制备的两层表面过滤层和位于两层表面过滤层之间的微颗粒污染物吸附层，甲醛光催化降解装置包括降解层和位于降解层至少一侧的紫外灯光源，降解层包括碳纤维载体织物和涂覆在碳纤维载体织物表面的纳米二氧化钛涂层。本发明的室内空气净化器最终净化后的室内空气的API值为50以下，室内空气湿度为45％～65％范围，在封闭的室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量低于0.07mg。

Description

一种碳纤维室内空气净化器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维室内空气净化器及其制备方法，特别涉及一种采用活性碳纤维织物吸附层和纳米二氧化钛涂层复合碳纤维织物光催化降解层的多功能室内空气净化器，利用该净化器可以对室内空气中的PM2.5污染物以及甲醛污染物进行有效去除，净化室内空气，提高室内空气质量。
背景技术
近几年来，随着经济的飞速发展，对交通工具以及重工业的倾斜力度加大，带来了城市污染物空气排放量的暴增，对空气质量带来了致命的威胁。目前，我国的大中城市不断出现雾霾天气，其罪魁祸首便是PM2.5污染物。PM2.5对我们的生活造成了很大影响，并且随着空气质量的不断恶化，PM2.5从室外走向了室内。除此之外，室内空气环境的另一个重要威胁来自家庭装修材料和家具的污染，其中甲醛是主要的污染物质。甲醛的长期释放严重影响着人们的健康。面对这两种重要的污染物，传统的室内空气净化设备只能实现单一的净化功能，即只能对空气中的甲醛进行吸附而不能对PM2.5进行吸附，或者只能去除PM2.5颗粒物而无法去除甲醛，这对于目前恶劣复杂的室内空气污染物情况来讲，其切实的解决方法的研究是刻不容缓的。
碳纤维是一种纤维状的柔性碳材料，利用高温活化技术可以赋予高强度、高模量碳纤维以发达的表面微孔结构，这种纳米或微米级别的微孔结构也赋予了碳纤维极强的吸附特性，称之为活性碳纤维。利用活性碳纤维高效率的吸附性和柔性特质可以将其加工成不同编织结构的吸附织物，同时利用其吸附性也可作为功能材料的载体，使其满足各种人为要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种碳纤维室内空气净化器及其制备方法。该碳纤维室内空气净化器，用于对室内的PM2.5和甲醛污染物进行多级净化处理，有效保证室内空气环境。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种碳纤维室内空气净化器，包括PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置和雾化空气加湿装置，甲醛光催化降解装置位于PM2.5微颗粒物吸附装置和雾化空气加湿装置之间，其中，所述PM2.5微颗粒物吸附装置包括PM2.5微颗粒物吸附层，PM2.5微颗粒物吸附层由热塑性纤维织物制备的两层表面过滤层和位于两层表面过滤层之间的微颗粒污染物吸附层，微颗粒污染物吸附层为活性炭纤维织物，甲醛光催化降解装置包括降解层和位于降解层至少一侧的紫外灯光源，降解层包括活性碳纤维载体织物和涂覆在活性碳纤维载体织物表面的纳米二氧化钛涂层。
PM2.5微颗粒物吸附层中的两层表面过滤层可以较好地阻挡大颗粒污染物，微颗粒污染物吸附层中的活性炭纤维织物对PM2.5污染物具有良好的吸附作用，经试验发现，两层表面过滤层与微颗粒污染物吸附层相互协同，体现出对颗粒污染物的良好的净化作用。
降解层中的活性碳纤维载体织物可以对甲醛等污染物起到一定的吸附作用，纳米二氧化钛在紫外光的照射下起到分解甲醛的作用。经过试验验证，当纳米二氧化钛涂覆在活性碳纤维织物上时，对甲醛等污染性气体具有更好的分解作用，达到更好净化空气的作用。
优选的，所述碳纤维室内空气净化器的进风口和出风口均设置排风扇。通过两侧的排风扇提供室内驱动力，完成室内空气的快速净化。
优选的，表面过滤层的热塑性纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维中的一种。
优选的，表面过滤层的织物形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式中的任意一种或多种织物形式的叠层结构。
进一步优选的，表面过滤层的热塑性纤维织物的厚度为0.1-1mm，热塑性纤维织物的目数为50-200目，热塑性纤维织物的面密度为10-200g/m2。
优选的，微颗粒污染物吸附层中的活性炭纤维为T300、T700、T800中的任意一种碳纤维经高温活化制备而来。
优选的，微颗粒污染物吸附层中活性炭纤维长丝的比表面积为300-3000m2/g。
优选的，微颗粒污染物吸附层的织物形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹中的一种或多种编织形式的叠层结构。
优选的，微颗粒污染物吸附层的织物面密度为20-100g/m2，织物目数为60-500目，织物厚度为1-10mm。
优选的，所述紫外灯光源的功率为10-50w。
优选的，所述纳米二氧化钛为锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径为10-300nm。锐钛矿型纳米二氧化钛具有很好的光催化效果，能分解在空气中的有害气体和部分无机化合物，并抑制细菌生长和病毒的活性，达到空气净化、杀菌、除臭和防霉的效果。
优选的，所述降解层中的活性碳纤维载体织物的活性碳纤维由T300、T700或T800中的任意一种碳纤维经高温活化制备而来。
进一步优选的，所述活性碳纤维的比表面积为300-3000m2/g。
优选的，所述活性碳纤维织物的编织形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹中的任意一种或多种编织形式的叠层。
优选的，所述PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置和雾化空气加湿装置之间通过插槽连接成整体。
上述碳纤维室内空气净化器的制备方法，包括如下步骤：
1)PM2.5微颗粒物吸附层的制备，采用热塑性纤维织物编织两层表面过滤层，利用活性炭纤维编织微颗粒污染物吸附层，然后将微颗粒污染物吸附层设置于两层表面过滤层之间，即得；
2)甲醛光催化降解装置中降解层的制备，将编织得到的活性碳纤维织物浸渍到纳米二氧化钛悬浮液中，超声震荡，将浸渍后的活性碳纤维织物干燥后即得；
3)将雾化空气加湿装置、紫外光源、PM2.5微颗粒物吸附层和降解层安装在碳纤维室内空气净化器的壳体的设定部位，即得；
以上步骤只要不影响空气过滤器的制备可以互换顺序。
优选的，步骤2)中，纳米二氧化钛悬浮液为纳米二氧化钛的乙醇悬浮液，该悬浮液的浓度为5-30％。
优选的，步骤2)中，浸渍的温度为20-50℃，浸渍的时间为5-30min。
优选的，步骤2)中，干燥的温度为50-80℃，干燥的时间为5-10min。
本发明的有益技术效果为：
1、本发明的室内空气净化器最终净化后的室内空气的API值为50以下，室内空气湿度为45％～65％范围，在封闭的室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量低于0.07mg，净化后的空气完全达标。
2、该碳纤维多功能室内空气净化器设有三级空气净化装置，可对室内空气中的PM2.5和甲醛污染物进行净化处理，同时可以对室内空气进行雾化加湿处理，以保证室内空气具有人体适宜的湿度。
3、本发明采用紫外灯提供的紫外线光催化活性碳纤维载体表面的二氧化钛涂层材料，利用活性碳纤维和纳米二氧化钛的综合吸附能力，实现对空气中甲醛污染物的高效降解，对甲醛的净化率达到97％以上。
4、本发明的三级净化装置通过插槽连接成整体，通过两侧的排风扇提供室内空气驱动力，插槽式结构方便净化装置内过滤芯体的拆卸更换。
附图说明
图1为本发明的碳纤维室内空气净化器的结构示意图。
其中，1、排风扇，2、插槽，3、PM2.5微颗粒物吸附装置，4、PM2.5微颗粒物吸附层；5、甲醛光催化降解装置，6、降解层，7、紫外灯，8、雾化加湿腔，9、超声高频震荡器雾化装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明碳纤维室内空气净化器包括三级空气净化装置：PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置、雾化空气加湿装置。三级净化装置通过插槽连接成整体，通过两侧的排风扇提供室内空气驱动力，完成室内空气的快速净化处理。
第一，PM2.5微颗粒物吸附装置的制备。采用聚乙烯纤维的无纺布编织物制备厚度为0.1mm、50目、面密度为10g/m2的表面过滤层；采用高强型T300碳纤维经高温活化制备比表面积为300m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成无纺布结构微颗粒污染物吸附层，制备的微颗粒污染物吸附层的织物面密度为20g/m2，织物目数为60目，织物厚度为1mm。最终组合成“表面过滤层、微颗粒污染物吸附层、表面过滤层”三层结构作为PM2.5微颗粒物吸附装置的过滤芯材。
第二，甲醛光催化降解装置的制备。(1)纳米二氧化钛涂层复合碳纤维织物降解层的制备。首先采用高强型T700碳纤维经高温活化制备比表面积为500m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成网眼布结构的碳纤维载体织物。其次采用粒径为30nm的锐钛矿型纳米二氧化钛，以乙醇为悬浮剂配制浓度为20％的悬浮液。将活性碳纤维载体织物浸渍到纳米二氧化钛乙醇悬浮液中，浸渍过程采用超声震荡，浸渍温度为25℃，浸渍时间为15min，将浸渍处理后的二氧化碳涂层碳纤维织物干燥处理，干燥温度为50℃，干燥时间为5min，最终制备的纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物面密度为80g/m2，织物目数为70目，织物厚度为6mm。(2)甲醛光催化降解装置的组装。将上述纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层通过插槽式结构装入甲醛光催化降解装置内，在降解层上下两侧配制光源功率为20W的紫外灯光源。
第三，雾化空气加湿装置的制备。该装置包括中间加湿腔和两侧的储水罐体，采用超声高频震荡器将储水罐中的水雾化为1-5微米的超微粒子，通过送风装置将水雾喷入空气加湿腔内，最终通过雾化空气加湿装置出气端口的抽风扇将加湿腔内处理后的空气排入室内。最终经过净化处理的室内空气的API值为50，室内空气湿度为45％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.07mg。
对比例
空气净化器的结构只作如下改变：纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层改为活性碳织物和金属网载体，金属网载体上涂覆纳米二氧化钛，其他的结构和制备方法都与实施例1中的空气净化器的结构和制备方法相同。
最终经过净化处理的室内空气的API值为70，室内空气湿度为45％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.37mg。
实施例2
本发明碳纤维室内空气净化器包括三级空气净化装置：PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置、雾化空气加湿装置。三级净化装置通过插槽连接成整体，通过两侧的排风扇提供室内空气驱动力，完成室内空气的快速净化处理。
第一，PM2.5微颗粒物吸附装置的制备。采用聚丙烯纤维的网眼布编织物制备厚度为0.5mm、200目、面密度为200g/m2的表面过滤层；采用高强型T700碳纤维经高温活化制备比表面积为1000m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成平纹结构微颗粒污染物吸附层，制备的微颗粒污染物吸附层的织物面密度为90g/m2，织物目数为300目，织物厚度为5mm。最终组合成“表面过滤层、微颗粒污染物吸附层、表面过滤层”三层结构作为PM2.5微颗粒物吸附装置的过滤芯材。
第二，甲醛光催化降解装置的制备。(1)纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层的制备。首先采用高强型T800碳纤维经高温活化制备比表面积为1100m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成斜纹结构的碳纤维载体织物。其次采用粒径为50nm的锐钛矿型纳米二氧化钛，以乙醇为悬浮剂配制浓度为30％的悬浮液。将活性碳纤维载体织物浸渍到纳米二氧化钛乙醇悬浮液中，浸渍过程采用超声震荡，浸渍温度为40℃，浸渍时间为10min，将浸渍处理后的二氧化碳涂层碳纤维织物干燥处理，干燥温度为70℃，干燥时间为10min，最终制备的纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物面密度为90g/m2，织物目数为440目，织物厚度为7mm。(2)甲醛光催化降解装置的组装。将上述纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层通过插槽式结构装入甲醛光催化降解装置内，在降解层上下两侧配制光源功率为30W的紫外灯光源。
第三，雾化空气加湿装置的制备。该装置包括中间加湿腔和两侧的储水罐体，采用超声高频震荡器将储水罐中的水雾化为1-5微米的超微粒子，通过送风装置将水雾喷入空气加湿腔内，最终通过雾化空气加湿装置出气端口的抽风扇将加湿腔内处理后的空气排入室内。最终经过净化处理的室内空气的API值为40，室内空气湿度为65％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.05mg。
对比例1
空气净化器的结构只作如下改变：PM2.5微颗粒物吸附层的结构修改为两层表面过滤层为热塑性纤维织物，中间的吸附层为无纺布，其他的结构以及制备方法均与实施例2的空气净化器的结构和制备方法相同。
最终经过净化处理的室内空气的API值为100，室内空气湿度为45％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.15mg。
对比例2
空气净化器的结构只作如下改变：PM2.5微颗粒物吸附层的结构修改为两层表面过滤层为金属层，中间的吸附层为活性炭纤维织物，其他的结构以及制备方法均与实施例2的空气净化器的结构和制备方法相同。
最终经过净化处理的室内空气的API值为70，室内空气湿度为45％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.12mg。
实施例3
本发明碳纤维室内空气净化器包括三级空气净化装置：PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置、雾化空气加湿装置。三级净化装置通过插槽连接成整体，通过两侧的排风扇提供室内空气驱动力，完成室内空气的快速净化处理。
第一，PM2.5微颗粒物吸附装置的制备。采用聚酯纤维的缎纹编织物制备厚度为0.8mm、130目、面密度为120g/m2的表面过滤层；采用高强型T800碳纤维经高温活化制备比表面积为1300m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成网眼布结构微颗粒污染物吸附层，制备的微颗粒污染物吸附层的织物面密度为70g/m2，织物目数为350目，织物厚度为2mm。最终组合成“表面过滤层、微颗粒污染物吸附层、表面过滤层”三层结构作为PM2.5微颗粒物吸附装置的过滤芯材。
第二，甲醛光催化降解装置的制备。(1)纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层的制备。首先采用高强型T800碳纤维经高温活化制备比表面积为2000m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成无纺布结构的碳纤维载体织物。其次采用粒径为20nm的锐钛矿型纳米二氧化钛，以乙醇为悬浮剂配制浓度为12％的悬浮液。将活性碳纤维载体织物浸渍到纳米二氧化钛乙醇悬浮液中，浸渍过程采用超声震荡，浸渍温度为42℃，浸渍时间为10min，将浸渍处理后的二氧化碳涂层碳纤维织物干燥处理，干燥温度为75℃，干燥时间为9min，最终制备的纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物面密度为80g/m2，织物目数为420目，织物厚度为10mm。(2)甲醛光催化降解装置的组装。将上述纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层通过插槽式结构装入甲醛光催化降解装置内，在降解层上下两侧配制光源功率为30W的紫外灯光源。
第三，雾化空气加湿装置的制备。该装置包括中间加湿腔和两侧的储水罐体，采用超声高频震荡器将储水罐中的水雾化为1-5微米的超微粒子，通过送风装置将水雾喷入空气加湿腔内，最终通过雾化空气加湿装置出气端口的抽风扇将加湿腔内处理后的空气排入室内。最终经过净化处理的室内空气的API值为30，室内空气湿度为60％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.04mg。
实施例4
本发明碳纤维室内空气净化器包括三级空气净化装置：PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置、雾化空气加湿装置。三级净化装置通过插槽连接成整体，通过两侧的排风扇提供室内空气驱动力，完成室内空气的快速净化处理。
第一，PM2.5微颗粒物吸附装置的制备。采用聚丙烯纤维的缎纹编织物制备厚度为0.3mm、200目、面密度为180g/m2的表面过滤层；采用高强型T300碳纤维经高温活化制备比表面积为1700m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成无纺布结构微颗粒污染物吸附层，制备的微颗粒污染物吸附层的织物面密度为60g/m2，织物目数为380目，织物厚度为10mm。最终组合成“表面过滤层、微颗粒污染物吸附层、表面过滤层”三层结构作为PM2.5微颗粒物吸附装置的过滤芯材。
第二，甲醛光催化降解装置的制备。(1)纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层的制备。首先采用高强型T800碳纤维经高温活化制备比表面积为3000m2/g的活性碳纤维长丝，利用该活性碳纤维编织成无纺布结构的碳纤维载体织物。其次采用粒径为10nm的锐钛矿型纳米二氧化钛，以乙醇为悬浮剂配制浓度为30％的悬浮液。将活性碳纤维载体织物浸渍到纳米二氧化钛乙醇悬浮液中，浸渍过程采用超声震荡，浸渍温度为20℃，浸渍时间为30min，将浸渍处理后的二氧化碳涂层碳纤维织物干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为10min，最终制备的纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物面密度为100g/m2，织物目数为490目，织物厚度为10mm。(2)甲醛光催化降解装置的组装。将上述纳米二氧化碳涂层复合碳纤维织物降解层通过插槽式结构装入甲醛光催化降解装置内，在降解层上下两侧配制光源功率为50W的紫外灯光源。
第三，雾化空气加湿装置的制备。该装置包括中间加湿腔和两侧的储水罐体，采用超声高频震荡器将储水罐中的水雾化为1-5微米的超微粒子，通过送风装置将水雾喷入空气加湿腔内，最终通过雾化空气加湿装置出气端口的抽风扇将加湿腔内处理后的空气排入室内。最终经过净化处理的室内空气的API值为20，室内空气湿度为65％，在封闭室内环境中，每立方米室内空气中甲醛释放量为0.01mg。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种碳纤维室内空气净化器，其特征在于：包括PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置和雾化空气加湿装置，甲醛光催化降解装置位于PM2.5微颗粒物吸附装置和雾化空气加湿装置之间，其中，所述PM2.5微颗粒物吸附装置包括PM2.5微颗粒物吸附层，PM2.5微颗粒物吸附层由热塑性纤维织物制备的两层表面过滤层和位于两层表面过滤层之间的微颗粒污染物吸附层，微颗粒污染物吸附层为活性炭纤维织物，甲醛光催化降解装置包括降解层和位于降解层至少一侧的紫外灯光源，降解层包括活性碳纤维载体织物和涂覆在活性碳纤维载体织物表面的纳米二氧化钛涂层；
表面过滤层的热塑性纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维中的一种，表面过滤层的织物形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹织物形式中的任意一种或多种织物形式的叠层结构，表面过滤层的热塑性纤维织物的厚度为0.1-1mm，热塑性纤维织物的目数为50-200目，热塑性纤维织物的面密度为10-200g/m2；
微颗粒污染物吸附层中的活性炭纤维为T300、T700、T800中的任意一种碳纤维经高温活化制备而来，微颗粒污染物吸附层中活性炭纤维长丝的比表面积为300-3000m2/g，微颗粒污染物吸附层的织物形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹中的一种或多种编织形式的叠层结构，微颗粒污染物吸附层的织物面密度为20-100g/m2，织物目数为60-500目，织物厚度为1-10mm；
所述降解层中的碳纤维载体织物的活性碳纤维由T300、T700或T800中的任意一种碳纤维经高温活化制备而来；
或所述降解层中的碳纤维载体织物的比表面积为300-3000m2/g；
或所述降解层中的碳纤维载体织物的编织形式为无纺布、网眼布、平纹、斜纹或缎纹中的任意一种或多种编织形式的叠层。
2.根据权利要求1所述的空气净化器，其特征在于：所述碳纤维室内空气净化器的进风口和出风口均设置排风扇。
3.根据权利要求1所述的空气净化器，其特征在于：所述紫外灯光源的功率为10-50w；所述纳米二氧化钛为锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径为10-300nm。
4.根据权利要求1所述的空气净化器，其特征在于：所述PM2.5微颗粒物吸附装置、甲醛光催化降解装置和雾化空气加湿装置之间通过插槽连接成整体。
5.权利要求1-4任一所述碳纤维室内空气净化器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)PM2.5微颗粒物吸附层的制备，采用热塑性纤维织物编织两层表面过滤层，利用活性炭纤维编织微颗粒污染物吸附层，然后将微颗粒污染物吸附层设置于两层表面过滤层之间，即得；
2)甲醛光催化降解装置中降解层的制备，将编织得到的活性碳纤维织物浸渍到纳米二氧化钛悬浮液中，超声震荡，将浸渍后的活性碳纤维织物干燥后即得；
3)将雾化空气加湿装置、紫外光源、PM2.5微颗粒物吸附层和降解层安装在碳纤维室内空气净化器的壳体的设定部位，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：
步骤2)中，纳米二氧化钛悬浮液为纳米二氧化钛的乙醇悬浮液，该悬浮液的浓度为5-30％；
或步骤2)中，浸渍的温度为20-50℃，浸渍的时间为5-30min；
或步骤2)中，干燥的温度为50-80℃，干燥的时间为5-10min。
7.权利要求1-4任一所述空气净化器在空气净化中的应用。
8.权利要求7所述的应用，其特征在于：空气净化器在室内空气净化中的应用。
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