CN101970019A - 抗菌多孔基材及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
制备抗菌空气过滤器的方法，其包括下列步骤：将多孔材料浸泡在银纳米颗粒胶体中；用硅烷季铵聚合物涂覆已经嵌入银纳米颗粒的多孔材料，以降低银纳米颗粒的损失。得到的过滤器可以用于空气处理装置。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌空气过滤器、其制备方法和使用方法。
背景技术
人类常常在生存环境中被微生物例如细菌、霉菌、酵母菌、病毒及其它感染性试剂所感染。在寻找抗菌材料方面的研究工作正在深入进行，所述抗菌材料包括各种天然和无机物质，例如茶提取物、壳聚糖、银、铜、锌，还有许多其它的物质。已经知道，银具有抗菌活性。银可以有效抵御超过650种的细菌菌株。银的抗菌活性取决于银阳离子(Ag+)，其可以与含有硫、氧或氮的生物分子上的电子供体基团强烈地结合。银离子通过置换其它主要金属离子例如Ca2+或Zn+来起作用。人们普遍认为，重金属与蛋白反应，导致蛋白的失活。人们还普遍相信，重金属通过结合(combing)酶的-SH基团而与蛋白反应，导致蛋白的失活。
目前正在深入研究纳米颗粒的用途，并提出了一些涂覆方法和表面处理方法。通常，合成具有纳米范围粒径的材料需要特殊技术。此外，为了获得含有纳米颗粒的材料，需要非常规的方法，这是由于大部分形成技术的能源消耗量很大。已经使用了许多物理和化学方法，例如真空沉积，分子束外延，溅射，激光辅助的真空烧蚀，化学气相沉积。这些技术需要专业的设备，并且需要在很高的温度下进行。
为了形成纳米颗粒材料，已经开发了一些低温方法和工艺。例如，离子植入方法，离子束辅助沉积方法(IBAD)和磁控溅射方法，这些方法都需要很高的初始投资，维护和操作成本很高，并且需要非常专门的操作技能。已经介绍了较简单的方法，例如无电电镀和浸染(padding)或辊轧方法，然而，这些方法的沉积率较低，产生较多的纳米颗粒淤渣浪费，并且纳米颗粒的粘附力低，有容易脱落的倾向。
对于施加薄膜，旋涂已经使用了几十年，并且现在用于纳米颗粒的沉积。向心加速度会引起树脂蔓延到基材的边缘，并最终脱离基材的边缘，在表面上留下树脂的薄膜。旋涂的困难之一是再现性。限定旋转工艺的参数的微小变化可以导致涂膜的急剧改变。旋涂引发的其它困难包括沉积率较低，这导致纳米颗粒的更大浪费(最多可达到98％)，工艺所涉及的化学试剂是危险品，并且纳米颗粒的粘附力低，产生容易脱落的倾向。
在最近几年，越来越多的科学证据表明，即使在最大和最工业化的城市中，房间、办公室、商业建筑和汽车内的空气比室外空气的污染更严重。其它研究工作表明，人们大约90％的时间是在室内度过的。由此，对许多人来说，由于接触空气污染，在室内比在户外对健康造成的危险可能更大。
有机官能化硅烷技术已经用于处理表面，例如衣服，以便赋予它们抗菌性能。
本发明试图至少部分地克服现有方法的一些上述缺点。
发明内容
在整个文件中，除非有与此相反的陈述，否则应该将术语“包括”、“包含”等等理解为非穷尽性的列举，或换句话说，是指“包括但不限于”。
按照本发明的第一个方面，提供了制备用作过滤器的抗菌基材的方法，其包括下列步骤：将多孔材料浸泡在银纳米颗粒胶体中；用硅烷季铵聚合物涂覆已经嵌入银纳米颗粒的多孔材料，这样可以降低银纳米颗粒的损失。
不希望被任何理论所束缚，颗粒与细菌的结合可能取决于可获得的相互作用的表面积。与更大的颗粒相比，具有可获得的用于相互作用的更大表面积的更小颗粒具有更强的抗菌效果。
用非常低的初始投资就可以有成本效益地实现这种新方法，并且维护和操作成本很便宜。进一步的，该方法是非常简单的工艺，具有相对低水平的技术专长的人就可以在环境条件下进行该方法。由于在银纳米颗粒嵌入步骤期间，在环境条件下使用纯银纳米溶胶(不使用任何其它化学试剂)，可以回收任何未使用的银纳米溶胶，进行重新使用。这可以降低银纳米溶胶的消耗量。该工艺可以提供银纳米颗粒的良好的粘附力和均匀性。聚合物涂层可以保持银纳米颗粒在初始沉积的状态，这就可以降低银纳米颗粒从过滤器基材中浸出。进一步的，该工艺非常清洁，这是由于只产生很少的废淤渣。
该方法可以进一步包括用试剂例如氢氯酸或硝酸或硫酸或臭氧或UV刻蚀多孔材料的表面的步骤，和/或，用丙酮或醇洗涤多孔材料的预处理步骤，和/或，干燥抗菌基材的步骤。
按照本发明的另一个方面，提供了用作过滤器的抗菌基材，过滤器包括嵌入了银纳米颗粒的多孔材料，所述多孔材料具有硅烷季铵聚合物涂层。
按照本发明的再一个方面，提供了包括抗菌过滤器的空气处理装置，所述抗菌过滤器包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
该装置可以进一步包括除臭剂和/或空气清新剂或香料筒
附图说明
参考下列附图来以实施例的方式描述本发明，其中：
图1是按照本发明第一个实施方案的制备用作过滤器的抗菌基材的方法的流程图。
图2显示了有机官能化硅烷共价键对所处理表面的作用。
图3显示了与多孔材料表面结合的硅烷季铵的高分子化学。
图4显示了与表面永久键合的硅烷季铵聚合物即使在洗涤后对银纳米颗粒的浸出试验的效果。
图5是结合了抗菌过滤器的空气处理装置的侧视图，其中抗菌过滤器包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
图6是结合了抗菌过滤器的空气处理装置的平面视图，其中抗菌过滤器包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
图7是结合了抗菌过滤器的空气处理装置的剖面视图，其中抗菌过滤器包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
具体实施方式
本发明公开了纳米化的银颗粒在空气过滤中用于额外消毒的用途。银纳米颗粒具有100nm或更小的直径。另外，纳米大小的银对氧是高灵敏度的，导致形成带有化学吸附的银离子的部分氧化的银，这会对银的灭菌性能具有额外的贡献。纳米化的银可用于安全和有效地抑制细菌、霉菌和真菌的生长。
按照本发明，将银纳米颗粒涂覆在相对高表面积的过滤材料上(专用材料，由金属泡沫或聚氨酯或聚酯或无纺纸制成)。由金属泡沫或聚氨酯或聚酯或无纺纸制成的材料(其具有三维网格结构，并且具有高孔隙度和高比表面积，具有相当和均匀的强度和韧性)适合于用作银纳米颗粒涂覆的过滤器。
参照图1，将银纳米颗粒涂覆在过滤器基材(例如，泡沫镍)上。首先使用丙酮和盐酸进行预处理工艺，进行过滤器基材的表面清洁和进一步的刻蚀。这对于在过滤器基材上形成粘附银涂层是有利的。将泡沫镍基材浸在丙酮中，以便从表面除去油脂，然后空气干燥。经过该过程之后，将泡沫镍基材浸在3M HCl中20分钟(在25℃)，以便除去任何氧化层，并刻蚀泡沫镍表面。
为了产生“超净的平滑层”，以使纳米银容易涂覆到其上面，用盐酸“刻蚀”过滤器基材，例如，泡沫镍，以便除去镍表面上的氧化层和/或任何反应性的化学试剂。另外，这种过程还会改善涂层粘附性和均匀性，以防止纳米银涂覆的所述基材(例如，泡沫镍)表面的“剥离效果”。
预处理之后，用去离子水冲洗泡沫镍基材，以便在进一步使用之前除去化学试剂。然后将预处理的基材浸渍在胶体银溶胶溶液中，该溶液优选含有大约0.1至大约10g/升的银纳米颗粒，并在室温下保持，优选过夜。这将导致饱和涂覆。接触时间较短可能导致部分涂覆。然后用水冲洗所得到的经过涂覆的泡沫镍一或多次，优选用去离子水，以便除去任何未涂覆的银颗粒，并进行空气干燥。
用作为活性抗菌剂的硅烷季胺化合物，例如1，3-二癸基-2-甲基-咪唑啉氯化物，和作为将所述活性抗菌剂结合到涂覆表面的粘附剂的二甲基、甲基(聚环氧乙烷)硅氧烷类的基于硅烷的有机硅烷聚合物，涂覆所述基材。然后，抗菌聚合物涂层可以保持固定和持久。在湿式加工过程的单一阶段通过喷涂，将涂层施加在嵌入银纳米颗粒的泡沫镍的表面上，与表面粘附的这种技术包含两个意义。第一个且最主要的意义是过程非常迅速，该过程用阳离子物种将过滤器涂覆(物理吸附)一个分子厚度。这是离子交换过程，通过这种过程，硅烷季胺化合物的阳离子取代过滤器表面上的水或化学试剂中的质子。第二个意义是材料的独特性，例如硅烷季胺化合物。在这种情况下，硅烷醇使得与能接纳的表面出现共价结合(化学吸附)。然后，与基材的这种键合通过硅烷醇官能团而变得更加坚固，这样就能够使它们均聚。上述物质用这样的方式涂覆表面之后，它们变得几乎无法移动，即使在不能与它们发生共价反应的表面上(图2)。
结合到过滤器的表面上的硅烷季铵聚合物)的加入，通过降低银纳米颗粒的浸出所造成的损失，增强了银纳米颗粒的抗菌功能。硅烷季铵聚合物的有机官能化硅烷保持附着在基材上，能够杀死接触基材表面的微生物，其中该技术实际上是与基材聚合，使得表面具有抗菌性。一旦发生聚合，这种处理不会移动或形成抑制区域，因此不会形成允许有机体适应的条件。所得到的嵌入银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的抗菌基材不会使银浸出或削弱，而是随着时间的推移永久地保持与所施加的表面相附着。它不会使微生物中毒。
参照图3可以明显地看到，与基材键合的硅烷季铵聚合物可以抑制银纳米颗粒的浸出。沉积有银纳米颗粒的琼脂(10)发生浸出。洗涤几次之后，沉积有银纳米颗粒的琼脂大量地浸出(12)，放置在琼脂上的嵌入银纳米颗粒的多孔材料(14)也发生浸出，而放置在琼脂上的嵌入银纳米颗粒并涂有硅烷季铵聚合物的多孔材料，(16)显示了最小浸出量，放置在琼脂上的嵌入银纳米颗粒并涂有硅烷季铵聚合物的多孔材料，在洗涤若干次后(18)也显示了最小浸出量。
当微生物(20)接触有机官能化硅烷处理的过滤器(22)的表面时，通过类似剑刺的作用，细胞物理性地破裂，然后通过带正电荷的氮分子将其电死(图4)。
参照图5、6和7，涂有“纳米银以及硅烷季铵聚合物(24)”的过滤器，用作空气处理装置中的过滤器的优选实施方案。这种独特的抗菌表面活性过滤器可以在接触时消灭空气传播的细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、霉菌、霉、酵母菌和藻类，同时排除过滤器本身作为微生物污染物的未来生长点。具有永久性结合的硅烷季铵聚合物的“纳米银”涂覆的过滤器可以提供无与伦比的生物控制功能，同时没有气味、不会偏移或放出废气，并且不会产生有机体突变。由此，用与之结合的硅烷季铵聚合物处理的“纳米银”涂覆的过滤器(具有提高水平的抗菌活性。
除臭(气味除去装置)
现在市场上大部分除臭剂利用用掩蔽作用来控制气味。这些“掩蔽剂”也称为除臭剂，但掩蔽剂含有浓厚香精，并且仅仅试图在使人不愉快的气味中添加令人愉快的气味。
通过本发明的实施方案，硅烷季铵聚合物溶液是吸附恶臭的除臭剂，其含有活性杀菌剂，并具有除臭剂性能，可通过化学反应、反作用、中和以及溶解使人不愉快的气味和有毒气体来除去恶臭，其除臭方式是环境上可靠和提高的方式，而不是暂时掩蔽它们。硅烷季铵聚合物溶液是无毒的、无腐蚀性的和不易燃的溶液。化合物发生反应，使分子衰变，因此气味不再存在。过滤器可以自动和同时地与宽范围的气体(从酸性(硫化氢，甲硫醇)至碱性的气味(氨，三甲胺))发生反应，从而减少所存在的气味和它们的气体对应物。
宽的温度范围不会影响银纳米颗粒与硅烷季铵聚合物溶液的组合，使其能够成为可能经受高温的汽车环境的理想除臭剂。在蒸发期间，除臭的效果不会改变，这是因为基本的除臭剂不会蒸发。
另外，该实施方案包括半多孔(semi-porous)的纤维素酯芯(26)，其在制备期间被放入到硅烷季铵聚合物溶液中。半多孔的纤维素酯芯和硅烷季铵聚合物溶液两者一起形成特定的基料，以便控制芳香治疗香气的释放/排放，以及防止回流气体/化学制品、恶臭和可吸入的悬浮粒子或微粒的再次排放。根据本发明的需要，半多孔的芯不但用于控制香料的释放，而且用于延长本发明所用的硅烷季铵聚合物溶液的寿命达到6周。
空气清新剂或香料筒
该实施方案还在硅烷季铵聚合物溶液与空气清新剂(28)之间引入了相互作用。在空气清新剂中使用香精油。
优选，在空气清新剂中使用源于香精油的特定混合物的高质量香料。芯(26)可以使空气清新剂中的香味保持缓慢的释放，并从风机(30)控制释放香味。该实施方案进一步结合了吸附和净化两种原理，其是从室内空气中除去气体污染物和恶臭的两个主要工艺技术。
就本发明而论，可以预见各种实施方案和额外的特征。对熟练的技术人员来说是显而易见的各种改进和变化应被视为在本发明的范围之内。
Claims (12)
1.制备用作过滤器的抗菌基材的方法，其包括下列步骤：将多孔材料浸泡在银纳米颗粒胶体中；和用硅烷季铵聚合物涂覆已经嵌入银纳米颗粒的多孔材料，以降低银纳米颗粒的损失。
2.权利要求1的方法，其进一步包括下面的步骤：用试剂刻蚀所述多孔材料的表面。
3.权利要求2的方法，其中所述试剂包括氢氯酸或硝酸或硫酸或臭氧或UV。
4.权利要求1或2的方法，进一步包括用丙酮或醇洗涤多孔材料的预处理步骤。
5.前述权利要求任一项的方法，进一步包括将抗菌基材干燥的步骤。
6.前述权利要求任一项的方法，进一步包括将半多孔的芯放在硅烷季铵聚合物中的步骤。
7.用作过滤器的抗菌基材，其包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
8.权利要求7的抗菌基材，其中多孔材料包括金属泡沫或聚氨酯或聚酯或无纺纸。
9.权利要求7或8的抗菌基材，其中硅烷季铵聚合物涂层包括1，3-二癸基2-甲基-咪唑啉氯化物和二甲基、甲基-(聚环氧乙烷)硅氧烷。
10.空气处理装置，其包括抗菌过滤器，所述抗菌过滤器包括嵌入了银纳米颗粒并具有硅烷季铵聚合物涂层的多孔材料。
11.权利要求10的空气处理装置，其进一步包括气味除去装置，和/或，清新剂或香料筒。
12.权利要求11的空气处理装置，其中清新剂或香料筒通过半多孔的芯与过滤器连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110209 |