功能型負離子壁紙的制備和研究

趙傳山 李輝 熊曉敏 王姍姍 李杰華 郭興亮

摘要：功能壁紙因其綠色環(huán)保、功能性強等特性已成為新型的居家壁紙裝飾材料。通過研究負離子粉體，制備了負離子涂料，并將該涂料涂布于壁紙表面，制備出負離子涂料壁紙；通過研究負離子纖維，并以該纖維作為主要原料按照壁紙的抄造工藝制備出負離子纖維壁紙。結(jié)果表明，兩種功能壁紙的基本物理性能可滿足壁紙優(yōu)等品的國家標(biāo)準(zhǔn)；負離子釋放量分別為3800個/cm3、4800個/cm3；甲醛去除率均可達92%；經(jīng)過紫外線老化實驗后，負離子釋放量分別下降152%和235%；年輻射量均低于3 mSv，均在人體每年所吸收空氣和地表的輻射范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 功能壁紙；負離子；負離子釋放量

中圖分類號：TS7616文獻標(biāo)識碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201807002

收稿日期：20180507（修改稿）Preparation of Functional Negative Ion WallpaperZHAO Chuanshan1，*LI Hui1XIONG Xiaomin 1WANG Shanshan1LI Jiehua1GUO Xingliang2

（ 1Stale Key Lay of Biobased Materials and Green Papermaking， Qilu University of Technology， Jinan， Shandong

Province， 250353； 2 Shandong Zhongguan New Material Technology Co， Ltd， Zibo， Shandong Province， 255400）

（*Email： ppzcs@163com）

Abstract：Functional wallpaper has become a new type of decorating material because of its strong functionality and is environmentally friendly In this paper， two new negative ion functional wallpapers were obtained by preparing negative ion coatings and negative ion fibers which were applied to paper based wallpaper The results showed that the basic physical indexes of the two kinds of wallpaper could meet the national standard； the amount of releasing negative ion was 3800 /cm3 and 4800 /cm3 respectively The removal rate of formaldehyde by the wallpaper could reach 92%， and the negative ion releasing rates dropped 152% and 235% respectively in the simulated 15 days natural aging experiment.

Key words：function wallpaper； negative ion； negative ion release

空氣中不僅包括氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣和其他少量氣體和顆粒懸浮物，還包括空氣正負離子，其中空氣負離子具有降塵、滅菌、凈化有害氣體的作用。并且空氣負離子具有改善人體生理機能、提高免疫力、消除疲勞、緩解慢性病的保健功效。但在城市環(huán)境中，因缺少綠色植被且空氣污染等因素影響，空氣中有效健康的空氣負氧離子含量較少，大約只有100～200個/cm3，而空氣中的負氧離子含量只有達到1500個/cm3以上，才能稱為清新空氣。針對城市空氣污染問題，將空氣負離子與壁紙結(jié)合，制備一種可釋放空氣負離子的環(huán)保型壁紙已成為當(dāng)前研究的熱點。

張惟剛等人[1]根據(jù)負離子具有強氧化還原性，能夠?qū)⒂袡C氣體（如甲醛等）分解的特點，發(fā)明了一種負離子抗甲醛生態(tài)壁紙。這種壁紙是在壁紙原紙表面涂布一層復(fù)合涂料，該涂料中含有05%～15%的負離子粉和05%～15%的甲醛去除劑。該壁紙可以永久地釋放負離子和遠紅外線，具有殺菌抑菌、除臭、除味的功能，對人體具有一定的保護作用。實驗結(jié)果表明，這種壁紙168 h內(nèi)去除甲醛的效率可以達到952%。

呂衛(wèi)軍等人[2]發(fā)明了一種具有釋放負離子和遠紅外線、同時具有隔熱性能的壁紙原紙。其工藝是將竹纖維、木漿纖維混合后加水至漿料濃度為1%，用打漿機進行打漿。將納米碳纖維、納米遠紅外負離子粉分別均勻地加入到混合紙漿中：納米碳纖維在打漿開始后1 h加入，繼續(xù)打漿1 h后加入納米遠紅外負離子粉，即制得含有納米碳纖維、納米遠紅外負子粉竹纖維和木漿纖維混合漿。將上述步驟中制得的混合漿與滌綸纖維漿料進行混合，加入羧甲基纖維素鈉并攪拌均勻得混合漿料，混合漿料經(jīng)過抄紙、壓榨、干燥、卷取工序制得環(huán)保型壁紙。

王玉翠等人[3]發(fā)明了一種超天然健康室內(nèi)多功能壁紙。該壁紙可以持續(xù)釋放負離子1500個/cm3以上，遠紅外的發(fā)射率在085以上，富含生命體需要的微量元素，并可吸收游離甲醛等有機物質(zhì)，還具有防霉、防潮、除味、凈化空氣、吸音減噪、防水、防老化、防蟲蛀、防裂、耐擦洗等優(yōu)良性能。其所用原料為合成高分子樹脂、礦物酶助劑、苦蕎植物秸稈和負離子復(fù)合無機填料。

本實驗分別以負離子涂料和負離子纖維為功能材料制備了兩種新型負離子壁紙，并對制備的壁紙負離子釋放性能、老化性能、去除甲醛性能和輻射性能進行了研究。

1實驗

11實驗藥品與原料

負離子粉，白色，2500目，山東中冠新材料科技有限公司提供；鈦白粉，購于東莞市中鈦化工進出口有限公司；碳酸鈣，購于濟南圣豐工貿(mào)有限公司；聚乙烯醇（PVA）1799，購于上海美夢佳化工科技有限公司；有機硅油，購于安徽華潤化工有限公司；聚氧化乙烯（PEO），購于安徽華潤化工有限公司；質(zhì)量分數(shù)2%的軟性肥皂液，自制；白色氧化鋁粉末（F180 磨料），購于鄭州玉發(fā)磨料有限公司；研磨膏，用白色氧化鋁粉末與肥皂液按75∶25的比例，在23℃下混合而成；負離子纖維，購于中誠新型材料科技有限公司；聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維，購于光華塑膠材料有限公司；羧甲基纖維素納（CMC），購于天津江天化工有限公司；漂白硫酸鹽針葉木漿，山東萊蕪維達紙業(yè)有限公司提供。

12實驗設(shè)備與儀器

Valley打漿機，天津輕工業(yè)儀器機械廠；纖維疏解機，瑞典L&W公司；凱塞法紙頁成型器，奧地利Laboratory Equipment公司；FT3000單體臥式罐磨球磨，湖南弗卡斯實驗儀器有限公司；ZL100A抗張強度測試儀，大連紙張試驗儀器廠；AFAIV自動涂布機，東莞偉達儀器；U400/80220高速分散機，上海微型電機廠；YGB611IV日曬氣候試驗儀，武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司；LT2003耐摩擦色牢度試驗機，昆山景新通電子科技有限公司；FLZ3800空氣負離子測量儀，深圳市普利通科技有限公司；RUVA1A 紫外線老化箱，東莞市瑞凱環(huán)境檢測儀器有限公司；GC210便攜式甲醛檢測儀，河南馳誠電氣股份有限公司；FT367防護級輻射測量儀，中國輻射防護研究院。

13實驗方法

131負離子涂料壁紙的制備

涂料配比：負離子粉30%，鈦白粉20%，碳酸鈣30%，膠黏劑PV4、消泡劑有機硅油、增稠劑CMC等共占20%。用球磨機對混合粉末（負離子粉、鈦白粉、碳酸鈣）進行濕法超細研磨，并用4000目篩網(wǎng)對混合粉末篩選，獲得小于35 μm的超細粉末，將該粉末與PVA、有機硅油、CMC、水配置成固含量70%的涂料，經(jīng)高速分散機分散1 h，使其充分分散，制備成壁紙涂料。將該壁紙涂料按比例稀釋一定倍數(shù)之后，涂布在壁紙原紙（自制）的表面，得到可以釋放負離子的負離子涂料壁紙。

132負離子纖維壁紙的制備

原料配比：負離子纖維60%，漂白硫酸鹽針葉木漿30%，PFT纖維10%，混抄制備負離子壁紙。先將負離子纖維和PFT纖維按2% 濃度放入Valley打漿機加重砣打漿20 min，利用Valley打漿機的剪切作用使纖維切短至5 mm以下，取出擠干水分備用。將濃度2%的漂白硫酸鹽針葉木漿加入Valley打漿機中打漿至40oSR。將所有漿料混合稀釋到05%的濃度，加入纖維疏解機疏解5000轉(zhuǎn)，再加一定量的PEO分散劑和CMC疏解10000轉(zhuǎn)，得到分散均勻負離子混合纖維漿，然后按照壁紙的抄造工藝抄制定量90 g/m2的負離子纖維壁紙。

133負離子壁紙物理性能檢測

制備的負離子壁紙物理性能按照GB/T 34844—2017進行檢測。

（1）褪色性的測定 切取尺寸為45 mm×15 mm，且長邊平行于縱向的試樣。將試樣裝在試樣夾上，試樣夾孔以外部分用壓板壓緊，將試樣夾插在試樣的回轉(zhuǎn)架上，下端固定。使試樣表面充分照射20 h，然后取出試樣，置于冷暗處2 h以上。在室內(nèi)光線充足的情況下，結(jié)果按GB/T 250進行評定。

（2）耐摩擦色牢度的測定 將試樣放在摩擦色牢度試驗機測試臺上，兩端以夾樣器固定（以摩擦?xí)r試樣不松動為準(zhǔn)）。然后將摩擦布固定在摩擦頭上，往復(fù)摩擦25次，進行干摩擦測定。將試樣固定在測試臺上，摩擦布用蒸餾水潤濕，使摩擦布含水率達到95%～105%，用濕摩擦布往復(fù)摩擦5次，進行濕摩擦測定。結(jié)果按GB/T251進行評定。

（3）遮蔽性的測定 切取大小為200 mm×200 mm的試樣1片，遮蔽性試驗用灰色樣板緊貼于試樣，移動灰色標(biāo)準(zhǔn)樣板，按表1評定透過試樣的能見度。表1壁紙遮蔽性能見度參照表

遮蔽性判斷1級明顯表露2級稍微表露3級很少表露4級不表露

（4）可洗性以可洗和可刷洗結(jié)果來表示：

可洗測定 切取長邊平行于橫向，大小為300 mm×150 mm的試樣4片。將試樣壓在壓板上，然后在試樣上加入30 mL肥皂液，開始進行摩擦試驗。摩擦速度為（120±10）次/min，摩擦次數(shù)為30次。完成摩擦試驗后，取下試樣進行沖洗，先檢查濕潤試樣是否有損失痕跡。然后在（105±2）℃的烘箱中干燥4 min，再檢查干燥試樣是否有損傷痕跡。

可刷洗測定 使用摩擦頭，刷子鬃毛不得彎曲。將試樣壓在壓板上，用研磨膏5 g遍布于要刷洗的試樣表面，再在試樣上加入肥皂液20 mL，然后進行摩擦試驗。摩擦速度為（30±3）次/min，摩擦次數(shù)為40次。完成摩擦試驗后，取下試樣進行沖洗，然后在（105±2）℃的烘箱中干燥4 min，再檢查干燥試樣是否有損傷痕跡。

（5）濕抗張強度 按照國標(biāo)GB/T4652 紙和紙板浸水后抗張強度的測定方法檢測。

134負離子釋放量

用空氣負離子測量儀測定單位空間內(nèi)負離子的釋放量和保留量。負離子釋放量是將空氣負離子測試儀距離負離子壁紙1 cm內(nèi)測量負離子的含量；負離子保留量是將空氣負離子測量儀距離負離子壁紙100 cm，測試空氣中的負離子含量。

135負離子壁紙老化性能

目前常用的聚合物模擬老化方法有： 紫外光加速老化、熱老化、水解老化等[45]。用VU紫外線老化箱對制備的兩種負離子壁紙進行紫外線老化實驗，選用4根40 W的UV340紫外線燈管對壁紙進行連續(xù)15天的紫外線老化，并測量不同時間內(nèi)的壁紙抗張強度和負離子釋放量的變化。

136負離子甲醛去除效果

按照GB/T18883測定負離子壁紙對單位空間內(nèi)的甲醛去除效果。

137負離子壁紙放射性

采用輻射測試儀測量壁紙每天的的輻射量，持續(xù)測量7天，計算每天的平均輻射量，并以此推算1年內(nèi)的壁紙輻射量。

2結(jié)果與討論

21負離子壁紙基本物理性能

對制備的兩種負離子壁紙進行物理性能檢測，并與壁紙國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)進行比較，實驗結(jié)果見表2。由表2可以看出，兩種負離子壁紙所測量的物理性能，都能達到壁紙國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品的要求。負離子涂料和負離子纖維作為制備壁紙的表面涂料和纖維材料不僅能釋放負離子，對壁紙的橫向濕摩擦和濕抗張強度也有提高作用。

22負離子釋放量

由圖1和圖2可知，兩種壁紙負離子的釋放量均呈先不斷增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，且負離子釋放量均要高于負離子保留量。這是因為一開始空氣中的負離子含量較低，在前3～4天的時間內(nèi)壁紙中的負離子源不斷被激活，開始激發(fā)空氣中的分子，形成負離子釋放。但是負離子在空氣中很容易被中和掉，所以當(dāng)負離子釋放擴散到空氣中時，有一部分被中和。當(dāng)經(jīng)過一定時間后壁紙中的負離子源完全被激活，其激發(fā)釋放負離子量和空氣中保留的負離子量開始達到平衡。圖1中負離子涂料壁紙釋放的負離子在第3天達到最大量，其釋放量為3800個/cm3，而負離子纖

壁紙的使用壽命一般為10～15年，壁紙長時間暴露在空氣中會發(fā)生自然老化現(xiàn)象，壁紙老化過程中其各項物理性能都會不同程度下降。

圖3和圖4所示分別為用紫外線老化箱模擬自然條件下的壁紙老化過程抗張強度和負離子釋放量變化情況。由圖3和圖4可知，兩種負離子壁紙隨著老化時間的增加，老化15天時抗張強度分別降低了57%和56%，負離子釋放量分別降低了152%和235%。其中負離子纖維壁紙負離子釋放量比負離子涂料壁紙負離子釋放量降低的更明顯。初步分析為負離子涂料壁紙中，其負離子涂料主要以無機物為主，負離子粉中作為激發(fā)體系的氧化劑受老化影響，發(fā)生還原反應(yīng)，使負離子涂料激發(fā)體系破壞，因此負離子釋放量降低。負離子纖維壁紙中的負離子纖維隨著壁紙老化過程的增加，不斷老化降解，致使負離子纖維含量降

24負離子甲醛去除效果

空氣負離子具有弱電性，在此作用下容易吸附空氣中微小污染物和空氣中的有毒氣體（如甲醛、氨、苯等）。然后通過電性中和、物理吸附、化學(xué)反應(yīng)等綜合過程來去除污染物，達到凈化室空氣的作用。圖5所示為兩種壁紙對甲醛的去除效果。由圖5可以看出，兩種負離子壁紙去除甲醛的變化均在第1～2天時較為緩慢，這是因為負離子開始激發(fā)，空氣中負離子量為開始增加的過程，在第5天之后，由于空氣中的甲醛去除率達到80%，空氣中的甲醛含量已經(jīng)較低，所以第6～7天甲醛去除速度開始減慢。經(jīng)7天加續(xù)實驗，最終負離子壁紙對甲醛的去除率達到92%，明顯起到凈化空氣的作用。

空氣負離子是由中性分子或原子在空氣中捕獲游離的電子形成的，而空氣中游離的電子是分子和原子外圍的價電子被放射性的物質(zhì)釋放的X射線、α射線、β射線、γ射線照射后，獲得足夠的能量，擺脫電子場形成的。這種放射性物就可作為負離子激發(fā)源[6]。因為放射性物質(zhì)對人體具有輻射性，特別是強輻射，具有致癌性。負離子涂料壁紙和負離子纖維壁紙中的放射性物質(zhì)，通過不斷地釋放X射線、α射線、β射線、γ射線，使空氣中的分子和原子失去或得到電子，從而源源不斷地形成負離子。

圖6所示為負離子涂料壁紙和負離子纖維壁紙7天中每天的輻射量。由圖6可以看出，負離子壁紙總體的釋放量要略高于空氣中的輻射量，最高輻射量為88 μSv，而空氣中的輻射量最高為8 μSv。通過對測量數(shù)據(jù)取平均值計算年輻射量可知，負離子涂料壁紙和負離子纖維壁紙的年輻射量分別為261 mSv和262 mSv，空氣中的年輻射量為238 mSv。而人體每時每刻都受到來自空氣和地表的輻射，在正常生活環(huán)境下，人體每年所吸收的輻射量為1～3 mSv[7]。因此，雖然負離子壁紙的輻射量要稍高于空氣中的輻射量，但其輻射量在人體可承受的輻射量范圍內(nèi)，對人體不會造成危害。

3結(jié)論

通過采用負離子涂料和負離子纖維制備了兩種負離子壁紙，該壁紙應(yīng)用到室內(nèi)裝修工程中，可釋放負離子、去除甲醛。

31制備的兩種負離子壁紙的物理性能都能滿足壁紙優(yōu)等品的國家標(biāo)準(zhǔn)，壁紙中的負離子涂料和負離子纖維，不會影響壁紙的各項物理性能。

32兩種負離子壁紙的負離子釋放量分別在3800個/cm3、4800個/cm3，在空氣中的長久保留量分別達到3600個/cm3、4600個/cm3。

33對兩種負離子壁紙進行老化性能研究，經(jīng)紫外線老化箱老化實驗，老化15天負離子釋放量分別下降152%和235%，但依舊有較高釋放量。

34兩種負離子壁紙經(jīng)7天連續(xù)實驗，其甲醛去除率均可達92%。

35兩種負離子壁紙的空氣年輻射量分別為261 mSv和262 mSv，相對正?？諝廨椛渎杂刑岣?，但均在正常環(huán)境下人體吸收的安全輻射范圍內(nèi)。

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