CN104815483A - 复合抗菌空气过滤材料、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合抗菌空气过滤材料，将驻极织物层、静电纺纤维膜层、壳聚糖和纳米TiO2光触媒相结合，在有效去除PM2.5的同时，能够使过滤材料具有抗菌、消毒和除异味的功能；进一步地将这种过滤材料应用于窗布、纱窗滤料领域，以扩散风代替自然风，同时，将这种过滤材料应用于空调、空气净化器和口罩领域，达到对室内和个人呼吸空气的全面净化。另外，本发明还提供了一种复合抗菌空气过滤材料的制备方法及其应用。
Description
技术领域
本发明涉及空气过滤材料技术领域，特别涉及一种复合抗菌空气过滤材料、制备方法及其应用。
背景技术
当前，中国大气污染形势严峻。据环保部今年1月公布的城市空气质量日报，API(Air Pollution Index)污染指数最高的前10位城市是：石家庄、邯郸、保定、唐山、天津、郑州、济南、秦皇岛、济宁、乌鲁木齐和武汉(并列)。有两种形式的空气污染被美国肺脏协会(ALA)确认为对人类是最有害的，它包括：(1)气体污染物，如臭氧、雾、挥发性有机化合物(VOC)等；(2)颗粒物污染，如烟及灰尘。
上述排名还不包括PM2.5和臭氧污染指数。颗粒污染物在各类污染中占有一席之地，它严重危害着人们的身体健康。它的重要来源是电厂等煤炭燃烧、车辆和重型设备等油料燃烧产生的颗粒物。此外木材、秸秆的燃烧也会产生颗粒物污染。
其中北京、河北、山东等地空气质量达严重污染，PM2.5指数直逼最大值，如石家庄、邯郸、邢台、衡水的空气质量指数甚至“爆表”，数值已达到或超过500的测量上限，首要污染物多为PM2.5、PM10，北京的PM2.5值突破900。
空气污染不仅能通过物理、化学、生物的侵蚀作用，对周围物体产生破坏性影响；而且污染气体也会经呼吸系统(肺部)、皮肤表皮等部位，对呼吸道系统、神经系统、免疫能力、皮肤、肝脏、内分泌系统等产生毒害作用。且能影响人的精神状态，易出现疲劳、紧张等不良反应，降低工作、学习效率。长期在空气质量较差的环境中生活和工作，不仅会引起呼吸功能下降、呼吸道症状加重，还会导致慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等疾病，严重的还会导致肺癌、鼻咽癌患病率的增加。因此，以可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，损害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定，中国大气污染治理已刻不容缓。
为保证个人健康和工作环境的清洁，空气过滤材料广泛用于半导体行业、制药与食品行业、汽车工业、核工业、建筑行业等各个领域。随着科技的发展和人们防护意识的增强，市场对过滤材料的需求也越来越大。
评价空气过滤材料质量的性能指标主要有效率、阻力、容尘量与通量四个方面。纤维类过滤材料的类型对空气过滤材料的性能起着决定性作用。CN103706182A采用静电纺丝制备的球线组合型复合纤维空气过滤材料。Leung发现在纳米纤维毡表面层合微米纤维毡，可以增加过滤效率，且压降小于纯纳米纤维毡。Wang等先电纺出聚丙烯腈(PAN)纤维层，再将聚乙烯醇(PVA)纳米纤维覆盖在上面形成复合过滤材料。
上述研究都是采用静电纺丝的办法来提高过滤效率，但是压降却也随之增加，难以达到高效率、低压降的效果。而且，静电纺丝的工业化艰难，难以形成规模性的产品。即使有产品出来，成本也较高。如何通过简单的方式制备出高效低阻的过滤材料，已成为空气过滤材料领域中关注的焦点之一。
发明内容
本发明旨在提供一种过滤效率高，压力降小，且具有抗菌性能的复合空气过滤材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供一种复合抗菌空气过滤材料，包括依次粘结的驻极织物层、静电纺纤维膜层和基材无纺布层，其中，所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面负载有壳聚糖和纳米TiO2光触媒。
一些实施例中，所述驻极织物层还粘结有初效过滤层。
一些实施例中，所述驻极织物层的材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚丙烯及聚酯中的至少一种。
一些实施例中，所述静电纺纤维膜层的材料包括熔融静电纺或溶液静电纺，所述熔融静电纺包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二酸乙二醇酯或聚己二酰己二胺中的至少一种，所述溶液静电纺包括聚醚砜、聚砜、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚酰胺和聚苯乙烯中的至少一种。
一些实施例中，所述基材无纺布的重量为15-30g/m2。
一些实施例中，所述基材无纺布选自：纺粘无纺布、熔喷无纺布、针刺无纺布、水刺无纺布、竹炭纤维无纺布、负离子纳米无纺布、纳米银离子无纺布中的至少一种。
一些实施例中，所述壳聚糖包括羧化壳聚糖、壳聚糖盐类、壳聚糖硫酸酯、壳聚糖寡糖或类透明质酸壳聚糖中的至少一种，所述壳聚糖盐类为壳聚糖盐酸盐、壳聚糖季铵盐、壳聚糖乳酸盐、壳聚糖谷氨酸盐中的至少一种。
一些实施例中，所述初效过滤层为透光的无纺布或编织物，所述初效过滤层的材料包括聚乙烯、丙纶、涤纶、尼龙、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯硫醚和玻璃纤维中的至少一种。
另一方面，提供一种制备权利要求本发明的所述复合抗菌空气过滤材料的方法，包括下述步骤：
以所述基材无纺布层为基材，采用静电纺丝技术制备所述静电纺纤维膜层；
通过浸渍和/或喷涂包含有壳聚糖和纳米TiO2光触媒的溶液，使所述壳聚糖和纳米TiO2光触媒负载到所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面，并烘干；
在所述静电纺纤维膜层上粘结所述驻极织物层。
另一方面，提供一种复合抗菌空气过滤材料在窗布、空调、空气净化器、纱窗和口罩中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明将驻极织物层、静电纺纤维膜层、壳聚糖和纳米TiO2光触媒相结合，在有效去除PM2.5的同时，能够使过滤材料具有抗菌、消毒和除异味的功能；进一步地将这种过滤材料应用于窗布、纱窗滤料领域，以扩散风代替自然风，同时，将这种过滤材料应用于空调、空气净化器和口罩领域，达到对室内和个人呼吸空气的全面净化。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的复合抗菌空气过滤材料的结构示意图。
图2为本发明另一实施例提供的复合抗菌空气过滤材料的结构示意图。
图3为本发明一实施例提供的制备复合抗菌空气过滤材料的步骤流程图。
具体实施方式
纤维素纳米纤维的直径通常在几个纳米的范围内，因极小的尺寸，使其具有极大的比表面积；而且它的化学稳定性、力学性能、热稳定性和环境友好的性能，使得这种材料可以应用于纳米复合物、纳米纸和组织工程等领域。
壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性，能抑制一些真菌、细菌、和病毒的生长繁殖。截止到2013年认为其可能的机制有三：一是由于壳聚糖的多聚阳离子，易与真菌细胞表面带负电荷的基团作用，从而改变病原菌细胞膜的流动性和通透性；二是干扰DNA的复制与转录；三是阻断病原菌代谢。
2010年以来，有许多研究者提出壳聚糖通过诱导病程相关蛋白，积累次生代谢产物和信号传导等方式来达到抗菌的目的的观点。Papineau等认为，由于壳聚糖分子的正电荷和细菌细胞膜上负电荷的相互作用，使细胞内的蛋白酶和其他成分泄漏，从而达到抗菌、杀菌作用。Sudharshan等指出，由于壳聚糖可渗入细菌的核中并和DNA结合，抑制mRNA的合成，从而阻碍了mRNA与蛋白质的合成，达到抗菌作用。
纳米二氧化钛(TiO2)光催化材料是目前最有发展前景的消除有害气体的过滤材料。TiO2在吸收紫外线后，在紫外线能量的激发下发生氧化还原反应，其表面形成强氧化性的氢氧自由基和超氧阴离子自由基，能有效地将NH3、NOx、SO2、CO及VOC等有害气体降解为CO2、H2O和相应的无机离子，并在常温常压下就能反应，从而达到净化空气和杀菌等目的，无二次污染的优点，并且不同的材料复合在一起会进一步提高室内空气的净化效果。
本发明将驻极无纺布、静电纺纤维膜层、壳聚糖和纳米TiO2光触媒相结合，在有效去除PM2.5的同时，能够使过滤材料具有抗菌、消毒和除异味的功能；进一步地将这种过滤材料应用于窗布、纱窗滤料领域，以扩散风代替自然风，同时，将这种过滤材料应用于空调、空气净化器和口罩领域，达到对室内和个人呼吸空气的全面净化。
请参阅图1，为本发明一实施例提供的复合抗菌空气过滤材料100：包括依次粘结的驻极织物层110、静电纺纤维膜层120和基材无纺布层130，其中，所述静电纺纤维膜层120和基材无纺布层130的表面负载有壳聚糖和纳米TiO2光触媒。
所述驻极织物层110的材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚丙烯及聚酯中的至少一种。
优选地，所述静电纺纤维膜层120的材料包括熔融静电纺或溶液静电纺，所述熔融静电纺包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二酸乙二醇酯或聚己二酰己二胺中的至少一种，所述溶液静电纺包括聚醚砜、聚砜、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚酰胺和聚苯乙烯中的至少一种。
优选地，所述基材无纺布层130选自：纺粘无纺布、熔喷无纺布、针刺无纺布、水刺无纺布、竹炭纤维无纺布、负离子纳米无纺布、纳米银离子无纺布中的至少一种。可以理解，无纺布基材可以有一层或相互贴合的多层，当有多层无纺布基材时，各个层可以相同或不同。基于本发明的目的，无纺布基材的重量可以为15-30g/m2。
优选地，壳聚糖可以采用市售壳聚糖及其衍生物，包括：羧化壳聚糖(应用做多的是羧甲基壳聚糖)；壳聚糖盐类(常见的有壳聚糖盐酸盐、壳聚糖季铵盐、壳聚糖乳酸盐、壳聚糖谷氨酸盐等)；壳聚糖硫酸酯；壳聚糖寡糖；类透明质酸壳聚糖，等等。制备时，将壳聚糖溶于稀乙酸溶液中制得壳聚糖溶液。
优选地，所述TiO2光触媒采用市售纳米TiO2光触媒粉末或溶液，晶体结构包括锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。
请参阅图2，为本发明另一实施例提供的复合抗菌空气过滤材料200，其中，所述驻极织物层110还粘结有初效过滤层140。所述初效过滤层为透光的无纺布或编织物，所述初效过滤层的材料包括聚乙烯、丙纶、涤纶、尼龙、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯硫醚和玻璃纤维中的至少一种。
可以理解，本发明将容易产生静电的聚氯乙烯和聚氨酯溶液涂覆于初效过滤层140织物上，可以提高初效过滤层对PM2.5的阻挡作用。
可以理解，通过在复合抗菌空气过滤材料200设置最外面一层的初效过滤层140，阻挡大颗粒灰尘。
请参阅图3，为本发明实施例提供的制备上述复合抗菌空气过滤材料的方法的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：以所述基材无纺布层130为基材，采用静电纺丝技术制备所述静电纺纤维膜层；
优选地，所述静电纺纤维膜层是由熔融静电纺或溶液静电纺制成，溶液静电纺的溶剂可以是N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的任意一种。熔融静电纺的原料可以直接进熔融设备然后纺丝，溶液静电纺的原料需要经溶解、脱泡之后进入溶液纺丝机。
步骤S120：通过浸渍和/或喷涂包含有壳聚糖和纳米TiO2光触媒的溶液，使所述壳聚糖和纳米TiO2光触媒负载到所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面，并烘干；
优选地，将所述壳聚糖溶解于混合水溶液中，其中，混合溶剂可以是乙酸、三氟乙酸和六氟异丙醇中的一种或几种，浓度为0.01％-20％；将所述纳米TiO2光触媒分散在水中，浓度为0.001％-1％。
优选地，将上述壳聚糖与纳米TiO2光触媒水溶液通过浸渍和/或喷涂到所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面，其中，壳聚糖溶液的喷涂量为5-50ml/m2，纳米TiO2光触媒水溶液的喷涂量为1-50ml/m2，并在20-40℃下鼓风晾干。
步骤S130：在所述静电纺纤维膜层120上粘结所述驻极织物层110。
通过上述步骤，将驻极织物层110、静电纺纤维膜层120、壳聚糖和纳米TiO2光触媒相结合，在有效去除PM2.5的同时，能够使过滤材料具有抗菌、消毒和除异味的功能；进一步地将这种过滤材料应用于窗布、纱窗滤料领域，以扩散风代替自然风，同时，将这种过滤材料应用于空调、空气净化器和口罩领域，达到对室内和个人呼吸空气的全面净化。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
实施例1
将聚丙烯粒料加到熔融静电纺设备中静电纺丝，采用目数为250的尼龙编织布为接收基材，静电纺膜厚度为10μm。
将壳聚糖溶解与10％的乙酸溶液中，浓度为5％，喷涂在复合电纺膜上下表面，量为20ml/m2；将纳米TiO2光触媒分散在水中，浓度为0.05％，喷涂在复合电纺膜上下表面，量为25ml/m2。
将15g/m2的熔喷聚丙烯驻极无纺布覆盖在静电纺膜表面。
将150目的尼龙编织布置于驻极无纺布前，作为窗布，防雾霾。
过滤测试采用GB2626-2006测试标准，设备采用TSI8130滤料测试仪，试验用气溶胶为NaCl，质量中值粒径为0.26μm，数量中值粒径为0.075μm，过滤效果见表1。
实施例2
将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基乙酰胺中，浓度为6％，采用溶液静电纺丝机纺丝，接收基材为30g/m2的聚丙烯熔喷无纺布，静电纺膜厚度为3μm。
将壳聚糖溶解与3％的乙酸溶液中，浓度为3％，喷涂在复合电纺膜上下表面，量为10ml/m2；将纳米TiO2光触媒分散在水中，浓度为0.02％，喷涂在复合电纺膜上下表面，量为15ml/m2。
将25g/m2的熔喷聚丙烯驻极无纺布覆盖在静电纺膜表面。
过滤测试采用GB2626-2006测试标准，设备采用TSI8130滤料测试仪，试验用气溶胶为NaCl，质量中值粒径为0.26μm，数量中值粒径为0.075μm，过滤效果见表1。
以上制备的复合无纺布可以作为家用空调进风口的过滤装置，经实测，空调的风量损失在10％以内，过滤效果见表1。
表1 复合空气过滤材料的过滤性能
| 试样 | 试样厚度/mm | 过滤效率/％ | 压力降/Pa |
| 尼龙编织布 | 0.9 | 30.07 | 30 |
| PP熔喷无纺布 | 1.1 | 35.82 | 32 |
| 实施例1 | 1.0 | 99.43 | 56 |
| 实施例2 | 1.2 | 99.97 | 79 |
从表1的数据可见，本发明的复合抗菌空气过滤材料过滤效率高达99％以上，压力降则仅略高于单独的PP熔喷无纺布。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，包括：
依次粘结的驻极织物层、静电纺纤维膜层和基材无纺布层，其中，所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面负载有壳聚糖和纳米TiO2光触媒。
2.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述驻极织物层还粘结有初效过滤层。
3.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述驻极织物层的材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚丙烯及聚酯中的至少一种。
4.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述静电纺纤维膜层的材料包括熔融静电纺或溶液静电纺，所述熔融静电纺包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二酸乙二醇酯或聚己二酰己二胺中的至少一种，所述溶液静电纺包括聚醚砜、聚砜、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚酰胺和聚苯乙烯中的至少一种。
5.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述基材无纺布的重量为15-30g/m2。
6.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述基材无纺布选自：纺粘无纺布、熔喷无纺布、针刺无纺布、水刺无纺布、竹炭纤维无纺布、负离子纳米无纺布、纳米银离子无纺布中的至少一种。
7.如权利要求1所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述壳聚糖包括羧化壳聚糖、壳聚糖盐类、壳聚糖硫酸酯、壳聚糖寡糖或类透明质酸壳聚糖中的至少一种，所述壳聚糖盐类为壳聚糖盐酸盐、壳聚糖季铵盐、壳聚糖乳酸盐、壳聚糖谷氨酸盐中的至少一种。
8.如权利要求2所述的复合抗菌空气过滤材料，其特征在于，所述初效过滤层为透光的无纺布或编织物，所述初效过滤层的材料包括聚乙烯、丙纶、涤纶、尼龙、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯硫醚和玻璃纤维中的至少一种。
9.一种制备权利要求1-8所述的复合抗菌空气过滤材料的方法，其特征在于，包括下述步骤：
以所述基材无纺布层为基材，采用静电纺丝技术制备所述静电纺纤维膜层；
通过浸渍和/或喷涂包含有壳聚糖和纳米TiO2光触媒的溶液，使所述壳聚糖和纳米TiO2光触媒负载到所述静电纺纤维膜层和基材无纺布层的表面，并烘干；
在所述静电纺纤维膜层上粘结所述驻极织物层。
10.一种如权利要求1-8所述的复合抗菌空气过滤材料在窗布、空调、空气净化器、纱窗和口罩中的应用。
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