2018年度“誠銘化工杯” 優(yōu)秀論文部分獲獎作者張美云教授專訪

二等獎

題目：原纖化過程對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響

作者：張美云  馬珊珊  楊斌  宋順喜  魯鵬  蘇治平

單位： 陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院

中國輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

輕化工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心

廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

非常榮幸我們的研究論文“原纖化過程對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響”獲評《中國造紙》2018 年度優(yōu)秀論文二等獎！近年來霧霾已經(jīng)成為全球焦點(diǎn)問題，尤其是中國北京、河北、西安等地的居民更是深受其害。而傳統(tǒng)的空氣過濾材料常采用無法自然降解的石油基衍生物，其廢棄濾材常會給生態(tài)環(huán)境帶來二次的污染負(fù)擔(dān)。因此，我們團(tuán)隊(duì)采用生物可降解的植物纖維為原材料，并利用典型的造紙技術(shù)——原纖化對其進(jìn)行預(yù)處理，從而制備出可以攔截和吸附一定量PM2.5 顆粒物的柔性紙基空氣濾材。各位評審專家對我們研究工作的肯定給予了我們進(jìn)一步在紙基空氣過濾材料領(lǐng)域研究探索的動力。我們將一如既往地關(guān)注空氣污染問題，把制備綠色、輕質(zhì)、抗菌的功能型柔性紙基空氣過濾材料作為下一個努力目標(biāo)，不斷前進(jìn)。最后衷心祝愿《中國造紙》雜志在新的一年里越辦越好，成為造紙及相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)和新知識的交流平臺，推動行業(yè)不斷進(jìn)步與發(fā)展！

獲獎?wù)撐难芯恳�點(diǎn)：植物纖維作為一種廣泛存在于大自然中的可再生生物質(zhì)資源，來源廣泛、價(jià)格低廉，因此以植物纖維為原料取代合成聚合物制備空氣濾材具有很大的發(fā)展?jié)摿�和�?yīng)用價(jià)值。獲獎?wù)撐闹�，分別采用不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)對木漿纖維進(jìn)行不同程度的原纖化處理，利用冷凍干燥法脫除凝固相冰晶，同時盡可能地保留纖維分絲帚化的表觀形貌，制備出可生物降解的紙基空氣濾材。研究了不同程度原料化處理對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響，并探究了原纖化處理對紙基空氣濾材的性能影響機(jī)理。

《造紙信息》：首先祝賀您的論文在《中國造紙》2018年度“誠銘化工”優(yōu)秀論文評選中榮獲二等獎。我們注意到，論文項(xiàng)目是國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多個基金項(xiàng)目的一部分，請介紹一下當(dāng)時提出這一課題的研究背景是什么？項(xiàng)目主要內(nèi)容及目的是什么？

張美云：說近年來由于人類活動的不斷加劇，如工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快、煤炭能源的大量消耗，以及機(jī)動車數(shù)量的激增所引發(fā)的大氣中細(xì)小顆粒物（PM）的污染問題，尤其是空氣動學(xué)力直徑小于2.5 μm 的細(xì)小顆粒（PM2.5），已經(jīng)給人類健康帶來了極大的威脅。據(jù)國際癌癥研究中心報(bào)道，PM2.5 會誘發(fā)冠狀動脈堵塞、充血性心力衰竭和肺癌等疾病，嚴(yán)重影響人類的生命安全。另外，最近美國環(huán)境保護(hù)局宣布，目前在世界范圍內(nèi)每年因PM2.5所導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達(dá)2100 萬。因此，研究和開發(fā)出高性能的空氣過濾材料，以分離空氣中的PM2.5，凈化室內(nèi)空氣，一直以來都是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。利用靜電紡絲法制備的聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PSU）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）、聚氨酯（PU）等聚合物的無紡布材料是目前應(yīng)用較為廣泛的纖維類室內(nèi)空氣凈化材料。然而，這些聚合物均屬于不可再生資源，而且其制備過程中使用的大量化學(xué)品會對環(huán)境帶來污染，另外其廢棄物處理存在很大困難。纖維素纖維，作為一種廣泛存在于大自然中的綠色可再生型生物質(zhì)資源，來源廣泛、價(jià)格低廉，因此，以纖維素纖維為原料取代合成聚合物原料制備空氣過濾材料具有很大的發(fā)展?jié)摿�和�?yīng)用價(jià)值。

采用冷凍干燥技術(shù)制備紙基空氣濾材流程圖

本研究采用纖維素纖維為原材料，結(jié)合造紙中常用的纖維處理方式——原纖化，使纖維充分分絲帚化，制備出紙基空氣濾材。另外，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維表面分絲帚化作用越明顯，纖維表面暴露出了更多的細(xì)纖維絲或更多的纖維絲從纖維表面剝離，這會使最終制備的過濾材料中包含有更多比表面積大、吸附能力強(qiáng)的細(xì)纖維絲，有助于增強(qiáng)過濾材料對空氣中顆粒物的吸附作用，提高其過濾效率。從而，以纖維素纖維為原材料，基于原纖化處理結(jié)合冷凍干燥技術(shù)制備出綠色可生物降解的空氣過濾材料，減少霧霾污染對人體的傷害。

《造紙信息》：作為高性能纖維紙基功能材料的一種，紙基空氣濾材的發(fā)展?jié)摿�及�?yīng)用價(jià)值如何？其主要的制備方法有哪些？在制備及應(yīng)用方面存在哪些瓶頸？

張美云：PM2.5，作為當(dāng)前最為嚴(yán)重的大氣污染物，對人類的生命健康有極大的威脅。因此研究和開發(fā)高性能的空氣過濾材料用以截留空氣中的PM2.5，一直以來都是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。紙基空氣濾材是一類典型的綠色可降解的生物質(zhì)材料，符合國家可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略要求。目前紙基空氣過濾材料的制備方法主要分為冷凍干燥、泡沫成形和濕法成形。

（1）冷凍干燥法，作為一種常用的制備多孔材料的技術(shù)，其原理是首先將液態(tài)懸浮液冷凍成冰，然后通過減壓升華脫除水分。冷凍干燥過程中水分直接從固態(tài)升華為水蒸氣而被去除，避免了液態(tài)狀態(tài)下水分子的表面張力對多孔材料結(jié)構(gòu)帶來的破壞。以纖維素纖維懸浮液為原料，利用冷凍干燥技術(shù)制備空氣過濾材料可以避免纖維之間的角質(zhì)化，保持過濾材料的本質(zhì)微觀形貌和結(jié)構(gòu)，而且冷凍干燥工藝簡單、靈活便捷，因此，更適合于用以制備高性能紙基空氣過濾材料。

（2）泡沫成形法，原理是向纖維懸浮液中加入發(fā)泡劑，在機(jī)械攪拌作用下使纖維懸浮液中產(chǎn)生大量氣泡，發(fā)泡后纖維懸浮液中的水分子會在纖維端部之間搭建起水橋，從而將分散在泡沫體系中的纖維連接起來，干燥后泡沫破裂，纖維相互搭接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在利用泡沫成形法制備纖維素基空氣過濾材料時，纖維/ 泡沫體系中的空氣含量對過濾材料的孔隙結(jié)構(gòu)起著決定性影響，進(jìn)而會影響過濾材料的空氣過濾性能。但是，發(fā)泡劑含量、機(jī)械攪拌速率、攪拌時間、纖維懸浮液濃度等因素都會對空氣含量產(chǎn)生影響，因此如何精準(zhǔn)地控制空氣含量依然是一項(xiàng)困難的工作。

（3）濕法成形法，是生產(chǎn)紙基材料應(yīng)用最廣泛和最成熟的工藝。濕法成形法主要是纖維在水流狀態(tài)下均勻分散形成纖網(wǎng)，大量的纖維在纖網(wǎng)中呈現(xiàn)雜亂無章的分布，當(dāng)于烘缸上干燥后，樣品會呈現(xiàn)出疏松多孔的結(jié)構(gòu)。但是濕法成形過程中需要大量的生產(chǎn)用水進(jìn)入整個循環(huán)系統(tǒng)，增加了生產(chǎn)過程中的能耗。另外濕法造紙技術(shù)適于生產(chǎn)薄片狀的紙頁產(chǎn)品材料，而這類薄頁材料由于其本身多孔的性質(zhì)，對微細(xì)顆粒物捕捉和攔截作用有限的容塵量遠(yuǎn)達(dá)不到日常對微細(xì)顆粒物的過濾要求。

冷凍干燥技術(shù)適合制備多孔的三維纖維素基空氣濾材，然而由于其過程主要分為“漿料預(yù)凍”和“升華干燥”，在樣品干燥過程中需要低壓真空的冷凍環(huán)境，整個過程需要較大動力能耗輸入，在短時期內(nèi)較難達(dá)到工業(yè)化批量生產(chǎn)。

《造紙信息》：紙基空氣濾材的主要性能參數(shù)是什么？制備過程需要注意的主要事項(xiàng)是什么？

張美云：“ 過濾效率”“壓力降”和“質(zhì)量因子”是評價(jià)空氣過濾材料最基本也是最重要的參數(shù)。目前，我們團(tuán)隊(duì)制備的紙基空氣過濾材料達(dá)到超高過濾效率（99.9%），符合美國職業(yè)健康安全研究所制定的N-99標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細(xì)的樣品信息與參數(shù)已發(fā)表在相關(guān)雜志。

在紙基空氣過濾材料的制備過程中，我們發(fā)現(xiàn)冷凍介質(zhì)、漿料濃度、冷凍溫度等因素都會對紙基空氣過濾材料的“ 孔隙率”“ 孔徑分布”“密度”和“強(qiáng)度”等性能參數(shù)產(chǎn)生較大的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冷凍介質(zhì)由純水溶劑變?yōu)槭宥〈紩r，孔隙率從94.8% 增加到96.4%，孔徑分布峰值由120.9 μm 變化為72.6 和6.0 μm。另外實(shí)驗(yàn)過程中在漿料懸浮液中加入一定量的納米纖維素可以顯著改善紙基空氣過濾材料的強(qiáng)度性能。

制備合格的紙基空氣過濾材料，首先一定要將原材料—纖維素纖維充分地分絲帚化，因?yàn)樾蹙鄣臐{團(tuán)經(jīng)過冷凍干燥過程會變?yōu)楦捎驳膲K狀物質(zhì)，這種材料對PM2.5 顆粒物幾乎沒有吸附和過濾效果，所以充分的原纖化過程是必要的。另外濾材樣品在冷凍干燥過程中必須一次性冷凍成型，未完全冷凍的樣品在經(jīng)歷二次冷凍過程中會對濾材內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)造成較大影響，破壞原有的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致空氣濾材的過濾效率降低。

《造紙信息》：在紙基空氣濾材的研發(fā)與應(yīng)用方面，我國與國際相比差距在哪里？您對紙基空氣濾材未來研發(fā)的重點(diǎn)方向有哪些建議？

張美云：目前對于紙基空氣濾材研發(fā)和制備，國內(nèi)普遍采用冷凍干燥法、泡沫成形和濕法成形，即層層抄造技術(shù)，這些研究的階段性成果是比較先進(jìn)的，制備的紙基空氣濾材可以達(dá)到國際N-99 標(biāo)準(zhǔn)，芬蘭VTT 研究中心采用泡沫成形技術(shù)制備多孔的紙基濾材，已經(jīng)進(jìn)行了多次多產(chǎn)品中試，這項(xiàng)技術(shù)在國際上領(lǐng)先。

紙基空氣濾材未來研發(fā)的重點(diǎn)方向：

研究和開發(fā)憎水性或超疏水性紙基空氣過濾材料，因?yàn)槔w維素纖維的吸濕性較高，當(dāng)空氣中濕度較高時，紙基空氣過濾材料的結(jié)構(gòu)容易受到破壞；

優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)紙基濾材的規(guī)�；�和批量化生產(chǎn)；

“ 功能化”和“智能化”是目前材料的發(fā)展趨勢，所以對于紙基空氣過濾材料的要求可能不僅僅是攔截和吸附PM2.5顆粒物，同時對污染空氣中有毒氣體可以有效地吸附，因此研究和開發(fā)多功能型的紙基空氣過濾材料是一項(xiàng)具有意義和挑戰(zhàn)性的工作。

《造紙信息》：您作為一直奮戰(zhàn)在制漿造紙行業(yè)教學(xué)、科研第一線的一名老兵，有什么樣的心得體會，您想對業(yè)內(nèi)的全體造紙科技工作者說些什么？

張美云：做學(xué)術(shù)、搞科研是十分辛苦的工作，要耐得住寂寞、抵得住誘惑，要沉得下心、撲得下身，沒有誰能隨隨便便成功。作為科技工作者要走出校園，深入生產(chǎn)實(shí)際，解決實(shí)際問題，把論文寫在祖國的大地上。

與發(fā)達(dá)國家相比，目前我國在高性能紙基功能材料領(lǐng)域，尚未形成基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用研究、生產(chǎn)集成等完整體系，在國際市場缺乏話語權(quán)和競爭力，相關(guān)技術(shù)水平及產(chǎn)品仍處于“跟跑”或“并跑”水平。未來我們團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)緊密圍繞國家重大需求，開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合與國際合作，實(shí)現(xiàn)高端領(lǐng)域用紙基復(fù)合材料國產(chǎn)化，加快替代進(jìn)口并參與國際競爭。我們將繼續(xù)致力于科技創(chuàng)新，產(chǎn)學(xué)研并舉，為推進(jìn)我國高性能纖維紙基功能材料國產(chǎn)化，促進(jìn)輕工新材料輕量化、高性能化和綠色安全化不懈努力！

責(zé)任編輯：葛鴻燕

校對：葛鴻燕