CN103482792A - 一种防污抗菌的复合活性炭棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防污抗菌的复合活性炭棒及其制备方法，所述的复合活性炭棒具有三层结构，由外至内分别为（1）防污抗菌无纺布或抗菌熔喷棉、（2）活性炭棒、（3）无纺布或熔喷棉。本发明的复合活性炭棒具有防污、容尘量高、抗菌效果良好的特性，是一种寿命较长的长效复合活性炭棒。

Description

一种防污抗菌的复合活性炭棒及其制备方法

技术领域

本发明属于滤芯材料制备领域，具体涉及一种防污抗菌的复合活性炭棒及其制备方法。

背景技术

活性炭是家庭用净水器的最重要核心滤材，其功能为（1）改善自来水口感，（2）去除自来水中的余氯，（3）吸附自来水中的重金属与有机化合物，（4）减少自来水的浊度，并有脱色作用。然而在使用过程中常会遭遇到三种问题点；（1）易孳生细菌，（2）用久易堵塞，（3）表面易沾污。细菌会使活性炭棒产生臭味，一旦人饮用含有细菌的水则会使人生病。而堵塞与沾污则大大影响活性炭棒使用寿命。为了解决上述问题与困难，本发明从炭棒结构与抗菌镀膜之角度改善做出容尘量高且不容易沾污的抗菌炭棒。

目前市场上已有厂商推出抗菌炭棒。这些产品大都是在炭棒内添加无机抗菌剂(例如：银、铜、锌等金属粉或离子)达到抗菌、抑菌作用。但金属粉末或离子有被水冲洗而析出之虞，造成过滤后的饮用水内离子浓度超标。而本发明不在炭棒内添加抗菌剂，而改在炭棒表面包扎上一层或多层之抗菌布。万一抗菌布上的银、铜、锌等金属离子脱落，也会进入活性炭内被吸附住，不致被冲至出水处，影响出水质量。

沸石属于多孔性材质，具有极高的表面积、吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能，因此被广泛用作吸附剂、离子交换剂和催化剂，也可用于气体的干燥、净化和污水处理等方面，将其添加于活性炭棒内有助吸附能力提升。

二氧化硅常用于提高材料表面耐磨性、耐候性、耐水性、耐污染性、和改善光洁度。纳米材料抗菌性研究发现当纳米球型二氧化硅的添加量超过0.5%时，试样就表现出明显的抗菌效果，利用二氧化硅特性以PVD(物理气相沉积)手段制备于无纺布外层，使细菌、顽垢不易沾附达防污抗菌效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防污抗菌的复合活性炭棒及其制备方法，本发明的复合活性炭棒具有防污、容尘量高、抗菌效果良好的特性，是一种寿命较长的长效复合活性炭棒。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防污抗菌的复合活性炭棒具有三层结构，由外至内分别为（1）防污抗菌无纺布或抗菌熔喷棉、（2）活性炭棒、（3）无纺布或熔喷棉。

所述的活性炭棒内外均由抗菌无纺布包覆。

活性炭棒外层包裹1~5层无纺布或熔喷棉。

所述的防污抗菌无纺布是指外层镀有二氧化硅、内层镀有抗菌金属膜的无纺布。

所述的抗菌金属膜成分为银-铜-锌、银-铜、钛-银-铜中的一种。

所述的抗菌金属膜是以物理气相沉积法溅射而成。

所述的活性炭棒是单层或多层结构的活性炭棒。

所述的活性炭棒内层是无纺布、熔喷棉、铜锌合金滤料KDF中的一种。

制备如上所述的防污抗菌的复合活性炭棒的方法包括以下步骤：

（1）制备一支添加5~15wt.%沸石粉的细孔活性炭棒，其过滤精度为0.3~5微米；

（2）制备一支添加5~15wt.%沸石粉的粗孔活性炭棒，其过滤精度为8~25微米；

（3）由于细孔活性炭棒之外径略小于粗孔活性炭棒之内径，将细孔活性炭棒置入粗孔活性炭棒之内径，组合成一支外层疏松、内层致密的复合活性炭棒；

（4）在复合活性炭棒的外层包上一层或多层的防污抗菌无纺布；所述的防污抗菌无纺布与活性炭棒接触面以物理气相沉积法溅射镀上一层厚度为0.03~0.1微米的抗菌金属膜，而防污抗菌无纺布的另一面以物理气相沉积法镀上一层厚度为0.01~0.1微米的二氧化硅膜。

本发明的显著优点在于：本发明的复合活性炭棒具有防污、容尘量高、抗菌效果良好的特性，是一种寿命较长的长效复合活性炭棒。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是导水管的构造示意图；

图3是本发明无纺布层的剖视图。

具体实施方式

防污、抗菌PP无纺布及其制备方法，如下步骤：

（1）将PP无纺布(聚丙烯滤纸)置入真空干燥室中进行干燥，其工艺条件是：干燥温度为50-80℃，干燥时间10-25分钟，炉内真空压力为1.0*10^-1 Pa - 1.0*10^-2 Pa，(注：PP无纺布一面有遮盖层，防止第一次PVD镀膜时被镀上)。

（2）干燥后的PP无纺布辉光清洗室中实施等离子辉光清洗与活化，其工艺条件为离子源电流0.3-0.5A，偏压50-150V，占空比50%-80%，氩气流速10-100 SCCM，氧气流速10-150 SCCM，炉内真空压力0.1-0.3 Pa，活化时间5-10分钟。以达到清洁及活化PP无纺布表面之目的，提高抗菌膜与PP无纺布间的结合力。

（3）活化后的PP无纺布进入磁控镀膜室中进行磁控溅射沉积具有抗菌性能的金属膜，其工艺条件：磁控溅射电源功率6-9KW，偏压80-150V，氩气流速20-100 SCCM，炉内真空压力0.1-0.3Pa，镀膜时间10-25分钟。PVD溅射靶材可以银-锌-铜、银-铜、钛-银-铜等靶材。

（4）在步骤3之前还可以进行如下方法镀一次过渡层，以提升抗菌膜与PP滤纸间的结合力，活化后的PP无纺布进入磁控镀膜室中进行磁控溅射沉积具有抗菌性能的金属膜，其工艺条件：磁控溅射电源功率2-5KW，偏压80-150V，氩气流速20-100 SCCM，炉内真空压力0.1-0.3Pa，镀膜时间10-20分钟。PVD溅射靶材可以钛、铬等靶材。

（5）上述完成后，将PP无纺布一面有遮盖层，打开，将已镀PVD膜层的一面遮住，以防止第二次PVD镀膜时被镀上。按照上述（1）~（4）的步骤进行PVD镀二氧化硅膜，真空镀膜条件为以下工艺条件：磁控溅射电源功率1-10KW，偏压80-150V，氩气流速20-50 SCCM，氧气流速50-100 SCCM炉内真空压力0.1-0.3Pa，镀膜时间10-25分钟。PVD溅射靶材为硅靶材。

含沸石粗孔活性炭棒制备

（1）秤取60-80%wt(重量比)的粗粒径活性炭粉(粒径约60-80目)，另外加入5%-15%wt的沸石粉及15%-25%wt的黏结剂(例如聚乙烯粉，或聚丙烯粉，或EVA粉，或超高分子量聚乙烯粉)

（2）上述原料在低速混合机(例如V型混拌机)混合30分钟左右

（3）混合好的原料喂入单螺杆挤出机或烧结模具内，黏结成型。

含沸石细孔活性炭棒制备

（1）秤取60-80%wt(重量比)的细小粒径活性炭粉(粒径约100-200目)，另外加入5%-15%wt的沸石粉及15%-25%wt的黏结剂(例如聚乙烯粉，或聚丙烯粉，或EVA粉，或超高分子量聚乙烯粉)

（2）上述原料在低速混合机(例如V型混拌机)混合30分钟左右。

（3）混合好的原料喂入单螺杆挤出机或烧结模具内，黏结成型。

抗菌熔喷棉的制备

在市场上购买入PP熔喷棉，其外径为2.9-3.1cm，内径约为1至1.5cm。将其置入纳米银离子溶液中浸泡30min，然后在70-85烘箱内烘干之。

炭棒轴心管柱黏着包覆抗菌布之制备

购入一有孔的塑料中心管，其材质为PP或HDPE，高度与炭棒长度相同，外径与炭棒内径相同，壁厚约0.2cm。此管表面沾上聚氨酯胶，然后包覆2~4层防污抗菌之PP无纺布。

本发明的复合活性炭棒结构与制备工艺可综合说明如下；

（1）首先制备一支添加5~15%wt沸石粉的细孔活性炭棒，其过滤精度为0.3至5微米。

（2）制备一支添加5~15% wt沸石粉的粗孔活性炭棒，其过滤精度约为8至25微米。

（3）由于细孔活性炭棒之外径略小于粗孔径活性炭棒之内径，故可将细孔之活性炭棒置入粗孔活性炭棒之内径，组合成一支外层疏松，内层致密的复合活性炭棒。

（4）依上述之防污抗菌PP无纺布制备工艺，将聚丙烯无纺布基材放在PVD(物理气相沉积)内进行两种溅射镀膜。一面镀上厚度约为0.05至0.1微米之抗菌合金膜(其组分可以是银-铜-锌或银-铜或钛-铜-银)；而另一面则镀上有防沾污特性的二氧化硅(SiO₂)之沉积厚度为0.01至0.1微米)

（5）将步骤三所制得之炭棒外层包上一层至三层的防污抗菌PP无纺布。然后套上LDPE网。

（6）在步骤五所制备的炭棒内塞入一般抗菌熔喷棉或一段包覆二至四层防污抗菌无纺布的有孔塑料圆筒。最后将整支炭棒以聚氨酯胶封上两端盖。如此即可完整制备出本发明所揭示的防污抗菌复合炭棒。当自来水通过炭棒最外层的抗菌无纺布时，银-铜-锌膜即发挥抑菌功能，同时水中污浊的悬浮物也不易沾在布上。如此间接使炭棒较不易堵塞。当自来水穿过炭棒之粗孔径外层时，较大的颗粒悬浮物即被截留，但小颗粒悬浮物仍可穿透而进入细孔径的炭棒内层。水流穿透粗细两种活性炭时，水中所含的有机物(例如：三氯甲烷、微生物、农药等)、金属离子(铅、汞、镉、铝、银、铜等)及余氯等会被活性炭吸附住。纯净的水最后穿过炭棒内壁而进入抗菌熔喷棉或抗菌无纺布内管。最终过滤的纯净水即由出水口流出。

本发明注重抗菌功能是因为炭棒用久后其内易滋长细菌，因此采用本发明之手段进行抑菌，防止用炭棒过滤后的水带有细菌、藻类或其他微生物，不利人们饮用。

参考图例说明：本发明防污抗菌复合型炭棒，包括呈管柱形炭棒1，所述炭棒外层包上一层或多层的防污抗菌用聚丙烯无纺布层2，所述炭棒中心孔3内插入一根导水管4；所述聚丙烯无纺布层内、外表面分别覆设有抗菌层201和自洁层202。本发明不在炭棒内添加抗菌剂，而改在炭棒表面包扎上一层或多层之抗菌布。万一抗菌布上的银、铜、锌等金属离子脱落，也会进入活性炭内被吸附住，不致被冲至出水处，影响出水质量。

为了设计合理，上述抗菌层201即为在聚丙烯无纺布层与炭棒接触的一侧面上镀上一层抗菌金属膜层；所述自洁层202即为在聚丙烯无纺布层另一侧面镀上一层防污不沾垢的二氧化硅膜层。

二氧化硅常用于提高材料表面耐磨性、耐候性、耐水性、耐污染性、和改善光洁度。纳米材料抗菌性研究发现当纳米球型二氧化硅的添加量超过0.5%时，试样就表现出明显的抗菌效果，利用二氧化硅特性以PVD(物理气相沉积)手段制备于无纺布外层，使细菌、顽垢不易沾附达防污抗菌效果。

为了设计合理，上述抗菌金属膜层为银-铜-锌层、银-铜层或钛-银-铜层中的一种。

为了设计合理，制作方便，上述导水管4为包覆2至3层PP无纺布的网孔式塑料管，该塑料管上具有过水的网孔401。或者上述导水管4可以为抗菌PP熔喷棉。网孔式塑料管其材质为PP或HDPE，高度与炭棒长度相同，外径与炭棒内径相同，壁厚约0.2cm。此管表面沾上聚氨酯胶，然后包覆2~4层防污抗菌之PP无纺布。

其中一种炭棒为含有沸石的活性炭棒。沸石属于多孔性材质，具有极高的表面积、吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能，因此被广泛用作吸附剂、离子交换剂和催化剂，也可用于气体的干燥、净化和污水处理等方面，将其添加于活性炭棒内有助吸附能力提升。

另外一种，上述炭棒1由一根管形细孔活性炭棒101和一根管形粗孔活性炭棒102套接复合构成，组合后形成一支外层疏松，内层致密的复合活性炭棒。

上述炭棒最外层包上一层LDPE网层5，在炭棒上用环氧或聚氨酯胶黏接上下端盖及本体结构，以形成包扎式炭棒滤芯。

 本发明的水路过程：自来水通过炭棒最外层的抗菌无纺布时，银-铜-锌膜即发挥抑菌功能，同时水中污浊的悬浮物也不易沾在布上。如此间接使炭棒较不易堵塞。当自来水穿过炭棒之粗孔径外层时，较大的颗粒悬浮物即被截留，但小颗粒悬浮物仍可穿透而进入细孔径的炭棒内层。水流穿透粗细两种活性炭时，水中所含的有机物(例如：三氯甲烷、微生物、农药等)、金属离子(铅、汞、镉、铝、银、铜等)及余氯等会被活性炭吸附住。纯净的水最后穿过炭棒内壁而进入抗菌熔喷棉或抗菌无纺布内管。最终过滤的纯净水即由出水口流出。

本发明通过在炭棒外层包上一层或多层的防污抗菌用聚丙烯无纺布层，以及聚丙烯无纺布层内、外表面分别覆设有抗菌层和自洁层，从而使该炭棒不容易堵塞与沾污。

以下通过三个具体实施例来说明本发明之工艺与功能性比较：

实施例1

此为空白对照例，单层活性炭棒(高度25.4cm，外径6.65cm，内径3.15cm)，公称过滤精度为5微米。炭棒表面以一层普通的PP无纺布包卷之，中心管不加任何滤料。再套上PE网格，然后上下两端加上塑料端盖，并以聚氨酯胶封装而成。

实施例2

此为含沸石活性炭棒外层加上防污抗菌PP无纺布，内层中心管内包裹一层或多层无纺布之例。

步骤一：秤取下列原料制备含沸石之活性炭棒，然后用挤出法工艺或烧结法工艺成形之

活性炭粉(100-200目)：65%

黏结剂：25%

沸石：10%

测试所得之炭棒，其公称过滤精度约为5微米。炭棒尺寸为高度25.4cm，外径6.65cm，内径3.15cm。

步骤二：取PP无纺布一卷(其中一面已贴上一层涂不干胶之离型纸)，置入PVD(物理气相沉积)炉进行银(Ag)-铜(Cu)-锌(Zn)合金镀膜：(a)先真空干燥20分钟；(b)进行等离子辉光清洗与活化(炉内真空0.3Pa，离子源电流0.5A，偏压80V，氩与氧气以100:150 SCCM流速通入炉内，辉光清洗15分钟)；(c)使用磁控溅射进行银-铜-锌抗菌镀膜(炉内真空压力为0.1 Pa，偏压150 V，磁控溅射源9 KW，通入氩气之流速为100 SCCM，镀膜时间为10分钟)；从炉中取出已镀抗菌膜之无纺布，将沾不干胶之离型纸撕下。取一新的沾不干胶离型纸贴到已镀有抗菌膜之一面；(d)将PP抗菌无纺布重新送入PVD炉内，进行防污镀膜(使用硅靶，通入氩气之流速为150 SCCM，氧气流速为100 SCCM，磁控溅射电源功率为8 KW，偏压为120 V，炉内真空压力为0.1 Pa)，镀约10分钟，即可在无纺布上沉积一层可抗沾污的SiO₂(二氧化硅)膜。

步骤三：将步骤二所制得之炭棒表面包上三层由步骤二所镀出之防沾污抗菌PP无纺布，炭棒中心置入有孔塑料管，其上包裹一层或多层抗菌无纺布。最后套入上、下端盖，以聚氨酯胶封装之，即得单层含沸石之防沾污抗菌炭棒。

实施例3

此为含沸石双层活性炭棒加上防污抗菌无纺布，内层中心管内包裹一层或多层无纺布之例。

步骤一

秤取下列原料制备含沸石之细孔径活性炭棒，其制备工艺可用挤出法或烧结法成形之

活性炭粉(100-200目)：65%

黏结剂：25%

沸石：10%

测试所得之炭棒，其公称过滤精度为5微米。炭棒之高度为25.4 cm，外径为5.38 cm，内径为3.15 cm。

步骤二

秤取下列原料，制备一粗孔含沸石的活性炭棒，然后用挤出法工艺或烧结法或烧结法工艺成形之

活性炭粉(60-80目)：65%

黏结剂：25%

沸石：10%

测试得之炭棒，其公称过滤精度为10微米。炭棒高度为25.4 cm，外径为6.65 cm，内径为5.45 cm。

步骤三

将步骤一制作的过滤精度5微米细炭棒塞入步骤二所制之过滤精度为10微米粗炭棒内，形成一外层粗孔，内层细孔的组合式双层炭棒。

步骤四

实施例2之步骤二所描述的PVD镀膜法，将一般PP(聚丙烯)无纺布镀上一面含银-铜-锌金属膜，另一面含二氧化硅之防污抗菌膜。

步骤五

将步骤四制得之防污抗菌无纺布卷包在步骤三所做出的组合式双层炭棒上，炭棒中心置入有孔塑料管，其上包裹一层或多层抗菌无纺布。然后套入上下两端盖，并用聚氨酯胶封之，即制备得本发明的净水用复合炭棒。

以下为实验室内将上述三种实施例进行自来水过滤测试，其结果列于表1

表1

其中过滤精度之测试采用美国ChemTrac公司型号 PC 2400D 之过滤颗粒通过分析仪；抗菌效果系将炭棒浸入常温水中浸泡48小时候，取浸泡水滴在抗菌棉纸上，培养两天，观察纸面上是否长出红点(白色抗菌棉上若出现红斑点，即表示有细菌；若仍保持原有之白色则表示所滴上之水中无菌)；容尘量之测试乃采用自组装之吸量测试仪检测之。容尘量是指将制备好的泥浆水（每升所含粉尘数量固定）按每分钟固定的流速加入到滤心测试产品中，记录滤芯流量降到初始流量1/4时所用掉的泥浆水的量，推算出所使用掉的泥浆水的粉尘量，这个粉尘量即为滤芯的纳污值（容尘量）；容尘量越大表示炭棒之容尘纳污能力较高，亦即炭棒不易堵塞，有效工作寿命较长，此法可用于检测炭棒或熔喷棉等初级过滤产品。

综观表1之数据比较，可以知道本发明之复合炭棒确实在防沾污，容尘及抗菌功效显着，是一种较前沿但又很实用的新技术与新功能性炭棒。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的复合活性炭棒具有三层结构，由外至内分别为（1）防污抗菌无纺布或抗菌熔喷棉、（2）活性炭棒、（3）无纺布或熔喷棉。

2.根据权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的活性炭棒内外均由抗菌无纺布包覆。

3.根据权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：活性炭棒外层包裹1~5层无纺布或熔喷棉。

4.根据权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的防污抗菌无纺布是指外层镀有二氧化硅、内层镀有抗菌金属膜的无纺布。

5.根据权利要求4所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的抗菌金属膜成分为银-铜-锌、银-铜、钛-银-铜中的一种。

6.根据权利要求4所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的抗菌金属膜是以物理气相沉积法溅射而成。

7.根据权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的活性炭棒是单层或多层结构的活性炭棒。

8.根据权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒，其特征在于：所述的活性炭棒内层是无纺布、熔喷棉、铜锌合金滤料KDF中的一种。

9.一种制备如权利要求1所述的防污抗菌的复合活性炭棒的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备一支添加5~15wt.%沸石粉的细孔活性炭棒，其过滤精度为0.3~5微米；

（2）制备一支添加5~15wt.%沸石粉的粗孔活性炭棒，其过滤精度为8~25微米；

（3）由于细孔活性炭棒之外径略小于粗孔活性炭棒之内径，将细孔活性炭棒置入粗孔活性炭棒之内径，组合成一支外层疏松、内层致密的复合活性炭棒；

（4）在复合活性炭棒的外层包上一层或多层的防污抗菌无纺布；所述的防污抗菌无纺布与活性炭棒接触面以物理气相沉积法溅射镀上一层厚度为0.03~0.1微米的抗菌金属膜，而防污抗菌无纺布的另一面以物理气相沉积法镀上一层厚度为0.01~0.1微米的二氧化硅膜。

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