CN107057391B - 一种无迁移抗菌纤维素基泡沫及其制备方法 - Google Patents

一种无迁移抗菌纤维素基泡沫及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无迁移抗菌纤维素基泡沫，按照重量份数比包含以下组份原料：水95～99份、纤维素1～5份、湿强剂0.1～0.3份、表面活性剂0.1～0.5份、交联剂0.01～0.2份和抗菌剂0.03～0.2份。然后将称取所得纤维素和水混合，疏解；(2)在步骤(1)中疏解后所得物质中加入步骤(1)中称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂，混合搅拌，过滤，室温到温度为60℃之间干燥8～48h，即得无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。本发明的无迁移抗菌纤维素基泡沫制备工艺简单、环保，无需添加额外设备，利用标准的造纸基础设施即能生产，适合工业化生产。

Description

一种无迁移抗菌纤维素基泡沫及其制备方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及一种纤维素基泡沫及其制备方法，特别涉及一种无迁移抗菌纤维素基泡沫及其制备方法。
背景技术
多孔泡沫材料是由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料，具有质轻、隔热、吸音、减震、耐潮、耐腐蚀等优点，用途很广。目前，传统泡沫材料的基本组分为合成塑料，本身难以降解，导致白色污染，严重破坏了人类的生存环境，因此为了克服这种缺点，开发和应用可再生、可降解的天然生物质基泡沫材料将在很大程度上降低环境污染程度，减少对石化资源的依赖。纤维素主要来源于绿色植物的细胞中，是自然界中分布最广、储量最丰富且可再生的天然高分子物质，以其作为基材制备泡沫材料，即可以保留泡沫材料的优良性能，又减少对石化资源的依赖及对环境的污染。目前，已有报道将部分植物纤维(<10wt％)与合成塑料复合制备环保泡沫塑料，但是由于植物纤维含量低，泡沫并不能完全降解。李坚等人将木质纤维素机械粉碎后分散在水中，然后对木质纤维素水分散液进行冷冻干燥处理制备木质纤维素泡沫材料，这种方法只能在实验室进行小试实验，而很难在工业上进行规模生产。纤维素基泡沫材料可用作包装材料、水处理过滤材料等，在这些场合中，材料需要经常与人体表面接触，或者长期在水中浸泡，容易引起微生物滋生，影响泡沫材料的使用效果与使用寿命。但是，纤维素基泡沫材料本身不具备抗菌、防霉作用，为拓宽纤维素基泡沫的应用领域，将抗菌剂引入到其中，使其具备无迁移、长效的抗菌、防霉作用，对于发展绿色化学、促进节能减排和实现社会健康、稳定的可持续发展具有重大战略意义。
目前，传统的抗菌材料的制备主要是在材料中加入特定的有机小分子或无机盐抗菌剂(以银系抗菌剂为主)进行简单物理共混，二者之间主要以弱的键合或物理吸附的形式连接，小分子抗菌剂极易迁移到基材表面而流失，导致抗菌性能下降且容易对环境造成污染。
抗菌剂根据其化学组成的不同，可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂和高分子抗菌剂等。无机抗菌剂有金属离子型和氧化物两大类，优点是安全性和耐热性好，缺点是价格高、抗菌效率慢。有机抗菌剂含有季铵盐类、季磷盐类、胍类、有机酸类、苯丙咪唑、酚类、异噻唑啉酮等，优点是杀菌速度快、抗菌范围广，缺点是耐热性差、易渗出。天然抗菌剂有壳聚糖、天然萃取物等，优点是安全性高、生物相容性好，缺点是抗菌效果和稳定性不高。通过反应挤出将胍盐抗菌剂键合到淀粉大分子上，得到具有广谱高效、持久且无毒的高分子抗菌剂，然后将其应用在其他材料中即可解决抗菌效果持久性及生物相容性的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明针对现有技术的问题，发明一种主要利用可完全生物降解的材料纤维素作为泡沫的基材，通过与表面活性剂和抗菌剂快速搅拌结合，同时与快速吸入的空气混合，最后以常压的非限制性方式干燥，制备低密度无迁移抗菌纤维素基泡沫，克服了传统泡沫塑料难以降低、造成环境污染的缺点；得到一种全降解泡沫材料的制备方法，也赋予了泡沫材料广谱高效且持久的抗菌效果。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种无迁移抗菌纤维素基泡沫，按照重量份数比包含以下组份原料：水95～99份、纤维素1～5份、湿强剂0.1～0.3份、表面活性剂0.1～0.5份、交联剂0.01～0.2份和抗菌剂0.03～0.2份。
其中，所述的纤维素为植物纤维素，即为木纤维、棉纤维或蔗渣纤维重的一种。
其中，所述的湿强剂为聚酰胺环氧氯丙烷(PAE)、阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)或聚乙酰亚胺(PEI)中的一种。
其中，所述的表面活性剂为烯烃磺酸钠(AOS)、十二烷基苯磺酸钠(ABS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)或脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)中的一种。
其中，所述的交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、过氧化二异丙苯(DCP)、二乙烯基苯(DVB)或N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)中的至少一种。
其中，所述的抗菌剂为抗菌热塑性淀粉颗粒、胍盐聚合物大单体、季铵盐聚合物、壳聚糖或季鏻盐聚合物中的一种。
一种如上所述的无迁移抗菌纤维素基泡沫的制备方法，包含以下操作步骤：
(1)按照重量份数比称取以下组份：水95～99份、纤维素1～5份、湿强剂0.1～0.3份、表面活性剂0.1～0.5份、交联剂0.01～0.2份和抗菌剂0.03～0.2份，然后将称取所得纤维素和水混合，疏解，直到纤维素均匀分散在水中；
(2)在步骤(1)中疏解后所得物质中加入步骤(1)中称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂，混合搅拌，过滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于室温到温度为60℃之间干燥8～48h，即得白色泡沫状固体的无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
其中，步骤(1)中所述的疏解为在2000～5000r/min转速下疏解20～120min。
其中，步骤(2)中所述的混合搅拌为在1000～3000r/min转速下搅拌10～60min。
其中，步骤(2)中所述的过滤为在5～20kPa的压力下抽滤。
按照上述方法制备的纤维素基泡沫可直接应用在水净化处理、食品包装材料、隔热保温材料、减震材料等领域。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明制备的纤维素基泡沫具有无迁移抗菌性，克服了物理法添加小分子抗菌剂造成抗菌剂迁移、外渗的缺点，使材料具有长效、广谱高效的抗菌效果；此外，本发明制备的纤维素基泡沫还具有耐霉性、耐水性、耐污性、耐溶剂性和存贮稳定性等；
2)本发明的无迁移抗菌纤维素基泡沫的孔径、密度、力学性能和抗菌性能可控，可根据应用需要，通过改变纤维素类型和长度比例、表面活性剂种类和用量、空气含量、抗菌剂种类和用量对纤维素基泡沫的孔径、密度、力学性能和抗菌性能进行调控，以获得适合不同场合应用需要的无迁移抗菌纤维素基泡沫；
3)本发明的无迁移抗菌纤维素基泡沫制备工艺简单、环保，无需添加额外设备，利用标准的造纸基础设施即能生产，适合工业化生产。
附图说明
图1是本发明制备所得无迁移抗菌纤维素基泡沫产品实物照片。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
(1)以g为单位称取以下组分：水1800g、200g固含量为10wt％的漂白桉木纤维浆(其内含有20g木纤维素)、2g湿强剂CPAM、2g表面活性剂AOS、0.2g交联剂MBA和2g抗菌剂抗菌热塑性淀粉颗粒，然后将漂白桉木纤维浆和水混合后置于纸浆纤维疏解机中，于2000r/min转速下疏解20min，直到桉木纤维均匀地分散在水中；
(2)将步骤(1)称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂加入到步骤(1)中疏解后所得物质中，并用机械搅拌器于1000r/min转速下混合搅拌30min，然后迅速倒入到铺有滤纸的布氏漏斗中，于5kPa的压力下抽滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于室温下干燥48h，所得白色泡沫状固体即为无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
实施例2
(1)以g为单位称取以下组分：水1800g、200g固含量为12wt％的漂白蔗渣纤维浆(其内含有24g木纤维素)、2.4g湿强剂PAE、2.5g表面活性剂ABS、0.3g交联剂EGDMA和0.6g胍盐聚合物大单体，然后将漂白蔗渣纤维浆和水混合后置于纸浆纤维疏解机中，于4000r/min转速下疏解40min，直到蔗渣纤维均匀地分散在水中；
(2)将步骤(1)称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂加入到步骤(1)中疏解后所得物质中，并用机械搅拌器于2000r/min转速下混合搅拌10min，然后迅速倒入到铺有滤纸的布氏漏斗中，于10kPa的压力下抽滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于40℃下干燥24h，所得白色泡沫状固体即为无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
实施例3
(1)以g为单位称取以下组分：水1700g、300g固含量为16wt％的剑麻纤维浆(其内含有48g木纤维素)、2.4g湿强剂PEI、2.5g表面活性剂AES、0.3g交联剂DCP和2.5g季铵盐聚合物，然后将剑麻纤维浆和水混合后置于纸浆纤维疏解机中，于5000r/min转速下疏解50min，直到剑麻纤维均匀地分散在水中；
(2)将步骤(1)称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂加入到步骤(1)中疏解后所得物质中，并用机械搅拌器于2000r/min转速下混合搅拌25min，然后迅速倒入到铺有滤纸的布氏漏斗中，于10kPa的压力下抽滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于40℃下干燥24h，所得土黄色泡沫状固体即为无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
实施例4
(1)以g为单位称取以下组分：水1600g、400g固含量为20wt％的棉纤维浆(其内含有80g木纤维素)、5g湿强剂CPAM、8g表面活性剂MES、3g交联剂DVB和3g壳聚糖，然后将棉纤维浆和水混合后置于纸浆纤维疏解机中，于3000r/min转速下疏解120min，直到棉纤维均匀地分散在水中；
(2)将步骤(1)称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂加入到步骤(1)中疏解后所得物质中，并用机械搅拌器于2500r/min转速下混合搅拌60min，然后迅速倒入到铺有滤纸的布氏漏斗中，于15kPa的压力下抽滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于60℃下干燥8h，所得白色泡沫状固体即为无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
实施例5
(1)以g为单位称取以下组分：水1500g、500g固含量为20wt％的漂白云杉松木纤维浆(其内含有100g木纤维素)、6g湿强剂CPAM、10g表面活性剂AOS、4g交联剂MBA和4g鏻盐聚合物，然后将漂白云杉松木纤维浆和水混合后置于纸浆纤维疏解机中，于5000r/min转速下疏解100min，直到云杉松木纤维均匀地分散在水中；
(2)将步骤(1)称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂加入到步骤(1)中疏解后所得物质中，并用机械搅拌器于3000r/min转速下混合搅拌40min，然后迅速倒入到铺有滤纸的布氏漏斗中，于20kPa的压力下抽滤除去大部分的水分和水沫，得到的湿纤维素泡沫于50℃下干燥16h，所得白色泡沫状固体即为无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
本发明制备的无迁移抗菌纤维素基泡沫的性能测试方法：
1)密度：使用固体密度计测试；
2)湿强度：按照GB/T 465.2-2008；
3)滤水速度：按照GB/T 1914-2007；
4)最大孔径和平均孔径：按照GB/T 2679.14-1996；
5)抗菌性能：按照GB/T 20944-2008，受试细菌为大肠杆菌和金黄葡萄球菌；
6)耐霉菌性能：按照GB/T 1741-2007，受试菌种为黑曲霉和黄曲霉；
7)耐水性(水静态接触角测试)：使用接触角测试仪测试。
首先对纤维素基泡沫产品进行抗菌性能检测，测试完成后，对泡沫产品进行24h反复超声振荡清洗后再进行抗菌性能测试；同时，对产品进行抗霉性能测试。
上述实施例1～5制备的无迁移抗菌纤维素基泡沫的性能优良，具体参见如下表1：
表1五个实施例制得的无迁移抗菌纤维素基泡沫性能
由表1中实施例1～5制备的无迁移抗菌纤维素基泡沫性能分析结果：
1)产品性能测试结果表明，纤维素泡沫材料可以产生标准纸张一半的湿强度，但是密度却不到标准纸张的10％，可以降低生产成本。而且，没有使用额外的化学添加剂来提高产品的强度，仅通过改变纤维素原料、表面活性剂、空气含量(通过纤维素疏解速度和抽滤压力控制)来提高泡沫材料的性能。此外，产品的滤水速度很快，适合工业水净化设备滤芯的应用。
2)抗菌检测结果表明，产品对大肠杆菌和金黄葡萄球菌表现出良好的、长效的抗菌性能。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种无迁移抗菌纤维素基泡沫，其特征在于，按照重量份数比包含以下组份原料：水95～99份、纤维素1～5份、湿强剂0.1～0.3份、表面活性剂0.1～0.5份、交联剂0.01～0.2份和抗菌剂0.03～0.2份；所述的交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯、二乙烯基苯或N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种，所述的纤维素为木纤维、棉纤维或蔗渣纤维中 的一种，所述的抗菌剂为抗菌热塑性淀粉颗粒、胍盐聚合物大单体、季铵盐聚合物、壳聚糖或季鏻盐聚合物中的一种。
2.根据权利要求1所述无迁移抗菌纤维素基泡沫，其特征在于：所述的湿强剂为聚酰胺环氧氯丙烷、阳离子型聚丙烯酰胺或聚乙酰亚胺中的一种。
3.根据权利要求1所述无迁移抗菌纤维素基泡沫，其特征在于：所述的表面活性剂为烯烃磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐或脂肪酸甲酯磺酸盐中的一种。
4.一种如权利要求1所述的无迁移抗菌纤维素基泡沫的制备方法，其特征在于，包含以下操作步骤：
(1)按照重量份数比称取以下组份：水95～99份、纤维素1～5份、湿强剂0.1～0.3份、表面活性剂0.1～0.5份、交联剂0.01～0.2份和抗菌剂0.03～0.2份，然后将称取所得纤维素和水混合，疏解；
(2)在步骤(1)中疏解后所得物质中加入步骤(1)中称取所得湿强剂、表面活性剂、交联剂和抗菌剂，混合搅拌，过滤，室温到温度为60℃之间干燥8～48h，即得无迁移抗菌纤维素基泡沫产品。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的疏解为在2000～5000r/min转速下疏解20～120min。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的混合搅拌为在1000～3000r/min转速下搅拌10～60min。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的过滤为在5～20kPa的压力下抽滤。
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植物纤维多孔吸收材料及工艺性的研究;林真;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20131215;2.2.2节，图2.1，3.1.4节，3.1.5节，3.2节，6.1节，第2.2.1节，第1.2.3.1节 *

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