CN106432815A - 一种生物纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物纳米复合材料及其制备方法，该方法将生物酶与甲壳素在室温下发酵制备得到壳聚糖活性复合物，然后制备无机纳米溶胶，将所述壳聚糖活性复合物直接与无机纳米溶胶混合制备得到所述生物纳米复合材料。将所述生物纳米复合材料采用喷涂或刷涂工艺施工于物体表面，能形成稳定的涂层，该涂层能有效去除室内环境有害气体，具有持久效果。

Description

一种生物纳米复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物纳米复合材料领域，具体地说是一种生物纳米复合材料及其制备以及在去除室内环境有害气体应用。
背景技术
随着社会经济建设的飞速发展和人类生活水平的提高,室内环境污染已经成为社会关注的焦点,人们对室内空气品质越来越重视。污染室内空气的化学物质数量庞大,其中具有神经毒性、肾毒性、肝毒性和致癌性的挥发性有机化合物引起的二次污染已对人类健康造成极大威胁。世界卫生组织统计数据表明，全球每年因室内环境污染的死亡人数已达280万；国家室内空气检测部门相关统计显示，新装修居室90％以上有害气体严重超标，特别是醛、苯、胺及硫类有害气体等，严重威胁人类健康。
壳聚糖由于其分子中含有大量的游离胺，其容易与甲醛、乙醛分子反应，生成稳定的亚胺聚合物，专利200734415公开了一种甲壳素与PVA混合制备得到的涂料，其具有良好吸附醛类化合物的功能，但该材料只能吸附醛类有害气体，而对苯、胺、硫类有害气体无能为力，极大地限制了其使用范围。
发明内容
本发明克服了现有技术的所述缺陷，提供了一种生物纳米复合材料及其制备方法。本发明的方法，本方法直接将甲壳素和甲壳质酶的发酵产物与无机纳米溶胶混合，避免了发酵产物的分离提纯步骤，操作简单，与无机纳米溶胶进行混合后，甲壳质酶持续作用，可以发酵产生更多的活性胺基，活性胺基可以与醛类化合物反应生成稳定的亚胺聚合物，提高对醛类污染物的吸收，同时在材料中引入含有微量银纳米离子的高比表面积的硅藻土和二氧化硅，由于该材料具有很强吸附苯、氨和硫类有害气体的能力，同时，采用本发明制备得到的生物纳米复合材料，对基材的附着力高、硬度高、具有持久效果，相对于已有的甲醛清除材料只对醛类污染物有效，具有明显的优势。
本发明生物纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)壳聚糖活性复合物的制备
将生物酶与甲壳素在水中，20-40℃发酵制备得到壳聚糖活性复合物。
(2)无机纳米溶胶的制备
将纳米硅藻土粉末分散在水溶液中，然后依次加入纳米二氧化硅溶胶、有机硅表面活性剂和纳米银溶胶，研磨后，制备得到所述无机纳米溶胶。
(3)将所述壳聚糖活性复合物与无机纳米溶胶混合制备得到所述生物纳米复合材料。
将所述生物纳米复合材料采用喷涂或刷涂工艺施工于物体表面，能形成稳定的涂层，该涂层能吸附醛、苯、胺类有害气体。
其中，步骤(1)中，所述生物酶是甲壳质酶(CAS:9001-06-3)，可以直接从市场中购买。
其中，步骤(1)中，所述甲壳素为甲壳素粉末，其粉末尺寸为100目～2500目；优选为200～1250目；进一步优选为400～800目。
其中，步骤(1)中，所述生物酶质量为甲壳素质量的0.1％～5％，优选为0.5％～2％；所述水的用量为甲壳素质量的75-97％，优选为85-95％。
其中，步骤(1)中，所述发酵的时间为2-7天，优选地为3-5天；进一步优选地，为3-4天。
其中，步骤(1)中，所述发酵的温度优选地为25-35℃；进一步优选地，为室温。
其中，步骤(2)中，所述无机纳米溶胶为纳米硅藻土和纳米二氧化硅溶胶和水的复合物。
其中，步骤(2)中，所述纳米硅藻土，其表面积为200平方米/克～800平方米/克，优选为400平方米～600平方米/克。
其中，步骤(2)中，所述纳米二氧化硅溶胶，其表面积为200平方米/克～1000平方米/克，优选为400平方米～800平方米/克。
其中，步骤(2)中，所述无机纳米溶胶含有占无机纳米溶胶总质量的0.01％～0.5％的有机硅表面活性剂，如斯洛柯的Silok8030，Silok353。
其中，步骤(2)中，优选地，所述无机纳米溶胶还可以含有微量无机纳米银溶胶，所述无机纳米银溶胶的含量为10ppm～1000ppm，优选为100ppm～300ppm。
其中，步骤(2)中，所述纳米硅藻土和纳米二氧化硅溶胶和水的质量比为1～5：1～5：1～90之间，优选为1～3：1～3：1～85之间。
其中，步骤(3)中，所述壳聚糖活性复合物与所述无机纳米溶胶的质量比为1：10～1：1之间，优选为1：2～1：3之间，进一步优选地，为1：2或1：3。
其中，所述水为去离子水。
本发明还提出了由所述方法制备得到的生物纳米复合材料。本发明直接将甲壳素和甲壳质酶的发酵产物与无机纳米溶胶混合，避免了发酵产物的分离提纯步骤，操作简单，与无机纳米溶胶进行复合后，甲壳质酶持续作用，可以发酵产生更多的活性胺基，活性胺基可以与醛类化合物反应生成稳定的亚胺聚合物，提高对醛类污染物的吸收，同时在材料中引入含有微量银纳米离子的高比表面积的硅藻土和二氧化硅，由于该材料具有很强吸附苯、氨和硫类 有害气体的能力，相对于已有的甲醛清除材料只对醛类污染物有效，具有明显的优势。
本发明还提出了所述生物纳米复合材料用于制备吸附有害气体的产品中的用途；所述有害气体是指醛、苯、胺及硫类有害气体等。
本发明的有益效果在于，由于甲壳素的甲壳质酶的发酵物含有大量的活性胺基，它能与醛类化合物反应生成稳定的亚胺聚合物，其与含有微量银纳米离子的高比表面积的硅藻土和二氧化硅复合，由于该材料具有很强吸附苯、胺和硫类有害气体的能力，该复合材料不仅可以用于去除甲醛，还可以吸附苯、氨和硫类有害气体，在室内环境的空气治理具有广泛的用途。
具体实施方法
结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
本发明生物纳米复合材料的制备方法具体包括如下三步骤：
步骤(一)：壳聚糖活性复合物(壳聚糖活性分散液)的制备
磁力搅拌下，将甲壳素粉末分散在去离子水中，加入甲壳质酶，放在阴凉处搅拌发酵，数天后制备得到所述壳聚糖活性分散液。
步骤(二)：无机纳米溶胶的制备
将纳米硅藻土粉末分散在水溶液中，依次加入纳米二氧化硅溶胶，有机硅表面活性剂，采用球磨机进行研磨，球磨一段时间后，再加入纳米银溶胶，继续研磨，制备得到分散均匀的无机纳米溶胶。
步骤(三)：生物纳米复合材料的制备
将步骤一制备的壳聚糖活性分散液加入到步骤二中制备得到的无机纳米溶胶进行混合，继续球磨，制备得到所述生物纳米复合材料。
实施例1
磁力搅拌下，将30壳400目甲壳素粉末分散在200克去离子水中，加入0.5克甲壳质酶，放在阴凉处搅拌发酵4天，制备得到壳聚糖活性分散液。
将15克纳米硅藻土粉末分散在100克水溶液中，依次加入5克纳米二氧化硅溶胶，0.2克有机硅表面活性剂，采用球磨机进行研磨，研磨一段时间后，再加入0.1克纳米银溶胶，继续研磨，制备得到分散均匀的无机纳米溶胶。
将上述壳聚糖活性分散液加入到无机纳米溶胶中，继续球磨2小时后制备得到生物纳米 复合材料。
实施例2
磁力搅拌下，将20壳1000目甲壳素粉末分散在150克去离子水中，加入0.3克甲壳质酶，放在阴凉处搅拌发酵4天，制备得到壳聚糖活性分散液。
将35克纳米硅藻土粉末分散在200克水溶液中，依次加入15克纳米二氧化硅溶胶，0.4克有机硅表面活性剂，采用球磨机进行研磨，研磨一段时间后，再加入0.2克纳米银溶胶，继续研磨，制备得到分散均匀的无机纳米溶胶。
将上述壳聚糖活性分散液加入到无机纳米溶胶中，继续球磨2小时后制备得到生物纳米复合材料。
实施例3
将50克实施例1中制备得到生物复合材料采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的甲醛；作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升甲醛，4小时后，两个仓测得甲醛的含量分别为0.04毫克/立方米和1.08毫克/立方米，可知，生物复合材料具有良好的清除甲醛的效果。
实施例4
将50克实施例1中制备得到生物复合材料采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的甲苯；作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升甲苯，24小时后，两个仓测得甲醛的含量分别为0.12毫克/立方米和3.1毫克/立方米，可知，生物复合材料具有良好的清除甲苯的效果。
实施例5
将50克实施例1中制备得到生物复合材料采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的氨水，作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升氨水，4小时后，两个仓测得氨的含量分别为0.21毫克/立方米和1.2毫克/立方米，可知，生物复合材料具有良好的清除氨的效果。
实施例6
将50克实施例2中制备得到生物复合材料采用刷涂工艺涂布于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的甲醛，4小时后，两个仓测得甲醛的含量分别为0.05毫克/立方米和1.08毫克/立方米，可知，生物复合 材料具有良好的清除甲醛的效果。
实施例7
将50克实施例2中制备得到生物复合材料采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的甲苯，作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升甲苯，24小时后，两个仓测得甲醛的含量分别为0.14毫克/立方米和3.1毫克/立方米，可知，生物复合材料具有良好的清除甲苯的效果。
实施例8
将50克实施例2中制备得到生物复合材料采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的氨水，作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升氨水，4小时后，两个仓测得氨的含量分别为0.18毫克/立方米和1.2毫克/立方米，可知，生物复合材料具有良好的清除氨的效果。
实施例9
将实施例1中制备得到的壳聚糖活性分散液，直接采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的氨水，作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升氨水，4小时后，两个仓测得氨的含量都为1.2毫克/立方米，可知，壳聚糖活性分散液不具有清除氨的功能。
实施例10
将实施例1中制备得到的壳聚糖活性分散液，直接采用喷涂工艺喷涂于4片0.25米×0.25米的透明玻璃表面上，在室温下凉干后，放置于1立方米的实验仓中，注射入4微升的甲苯，作为对比，在另一个实验仓，不放置复合材料玻璃，直接注射4微升甲苯，4小时后，两个仓测得氨的含量都为3.1毫克/立方米，可知，壳聚糖活性分散液不具有清除甲苯的功能。
综上，通过将壳聚糖活性分散液与无机纳米溶胶进行复合，本发明制备得到生物纳米复合材料，该材料对环境中的醛类、苯类、氨类、硫类有害气体具有显著的吸附功能，可广泛应用于室内环境中有害气体的去除。

Claims (11)

1.一种生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤，(1)将生物酶与甲壳素在水中，发酵制备得到壳聚糖活性复合物；(2)将纳米硅藻土粉末分散在水中，然后加入纳米二氧化硅溶胶和有机硅表面活性剂，研磨后制备得到所述无机纳米溶胶；(3)将所述壳聚糖活性复合物与无机纳米溶胶混合制备得到所述生物纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的生物酶是甲壳质酶。
3.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述甲壳素为甲壳素粉末，其粉末尺寸为100目至2500目。
4.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物酶质量为甲壳素质量的0.1％～5％；所述水的用量为甲壳素质量的75-97％。
5.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述发酵的时间为2-7天，所述发酵的温度为20-40℃。
6.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纳米硅藻土的表面积为200平方米/克～1000平方米/克；所述纳米二氧化硅溶胶的表面积为200平方米/克～1000平方米/克。
7.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述无机纳米溶胶含有微量纳米银溶胶，所述无机纳米溶胶银溶胶的含量为10ppm～1000ppm；和/或，所述有机硅表面活性剂占无机纳米溶胶总质量的0.01％～0.5％。
8.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纳米硅藻土和纳米二氧化硅溶胶和水的质量比为1～5：1～5：1～90之间。
9.如权利要求1所述的生物纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述壳聚糖活性复合物与无机纳米溶胶的质量比为1：10～1：1之间。
10.一种如权利要求1～9之任一项所述的方法制备得到的生物纳米复合材料。
11.将如权利要求10所述的生物纳米复合材料用于制备吸附有害气体的产品中的用途。
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