CN107653748B - 一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气净化滤纸技术领域，特别是涉及一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法，所述具有交换功能的空气净化硅藻土纸，包括第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层，本发明在抗菌涂层中，将抗菌剂与硅藻土负载在多孔的凝胶上，使得抗菌剂分散得更均匀，并且具有气体交换功能，即使吸附有机气体，过滤性更持久，用该方法制备的空气过滤纸，抗菌效果好且更耐久。

Description

一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及空气净化滤纸技术领域，特别是涉及一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法。
背景技术
随着医药、医疗卫生、电子等行业厂房洁净度的要求越来越高，对空气净化装置提出了更高的要求。空气中漂浮的灰尘、细菌、病毒和微生物必须采用适当的方式加以去除。在诸多空气净化技术中，应用最广、最成熟就是空气过滤器。近几年美国研究人员在进行室内空 气质量研究过程中发现，空气过滤器在使用一段时间后(未到报废期限)沉积在过滤器上的微生物如果不及时加以处理，将产生严重的二次污染。
目前防止空气过滤器被污染，基本上都是采用辅助措施。如空调系统的灭菌措施添加光催化净化装置，但同时带来的一些问题：如①空调过滤系统的成本增加；②安装时需要有足够的空间；③整个系统的配套设计必须规范等。所以除菌方法的选择相当重要。就目前而言，使用抗菌过滤材料不失为明智的选择。近年来，人们开始对抗菌空气过滤材料进行了关注与研究。过滤器最核心在于滤纸，具有抗菌防霉性能的滤纸，能有效减少交叉感染，增加治愈几率。由此而知，抗菌防霉滤纸拥有非常广阔的市场，但目前该类产品的市场空缺却较大。相比于普通空气过滤纸，玻璃纤维空气过滤纸具有极高的过滤效率，较低的阻力和稳定的化学性质。可用于制作框式滤器、折叠滤芯，能有效对气体、无机溶液、油液等进行过滤。在未来有逐渐取缔传统过滤纸的趋势。在此背景下，抗菌防霉玻璃纤维过滤纸的出现无疑推动了该行业的发展。中国专利CN1475613A公开了纳米抗菌无纺布滤材及其制备方法，该发明涉及一种纳米抗菌无纺布滤材及其制备方法。它是将91-99份聚丙烯纤维和1-9份银系纳米抗菌粉体置于搅拌器内充分搅拌混匀，制成抗菌滤材的基料；由挤塑机对滤材的基料进行了混熔，制成熔融态混合体；再由熔喷注塑机将熔融态混合体进行熔喷，制成抗菌无纺布滤材。该产品中银系纳米抗菌粉体可能在制造过程中被高分子所覆盖，从而使抗菌、抑菌效果大打折扣，另外该产品过滤效率仅95％，不能作为高效空气过滤器的过滤材料。中国专利CN 2633397Y公开了一种杀菌净化型空气过滤芯片，芯片的内芯是活性炭纤维毡-ACF毡多层结构，每层活性炭纤维毡表面喷洒有非氯型化学性消毒剂层，在活性炭纤维毡两侧面包裹有无纺布表面层，在活性炭纤维毡和无纺布表面层之间有尼龙网。该产品中添加了化学性消毒剂会带来空调系统的腐蚀，且结构复杂，生产成本较高。
发明内容
针对目前现有技术的抗菌玻璃纤维滤纸的抗菌性能差，抗菌持久性差的缺点，本发明的目的是提供一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法，它能够使得抗菌剂分散得更均匀，并且具有气体交换功能，即使吸附有机气体，抗菌效果好且耐久性好。
本发明的发明人在长期使用玻璃纤维滤纸的过程中发现，现有技术中主要通过在玻璃纤维表面添加纳米银从而赋予玻璃纤维以抗菌性能，但是纳米银呈颗粒状，往往只能聚集在玻璃纤维的特定部位，无法均匀分布在表面，从而影响的抗菌效果，另一方面，纳米银与玻璃纤维无法紧密结合，特别是当纳米银颗粒含量增加时，容易发生团聚现象，在使用过程中容易脱落，抗菌效果不持久，用久了就会使得抗菌效果大大下降。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸，包括第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层。在抗菌涂层中，将抗菌剂与硅藻土负载在多孔的凝胶上，使得抗菌剂分散得更均匀，并且具有气体交换功能，即使吸附有机气体，过滤性更持久，用该方法制备的空气过滤纸，抗菌效果好且更耐久。
根据本发明，本发明对第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维和抗菌净化涂层的厚度均没有特殊的要求，可以根据实际的需求进行调整，例如，优选的，所述第一玻璃纤维层的厚度为0.1~0.3mm。进一步优选的，所述第二玻璃纤维层的厚度为0.1~0.3mm。更优选的，所述抗菌净化涂层的厚度为0.05~0.2mm。
根据本发明，优选的，所述抗菌涂层为负载抗菌剂和硅藻土的凝胶层。硅藻土具有孔隙度大、吸收性强、化学性质稳定、耐磨、耐热等特点，将其与抗菌抗菌剂复合，使得抗菌剂牢固的吸附在硅藻土的表面和内部空隙中，提高了抗菌剂与抗菌涂层的吸附能力，同时提高了抗菌剂的耐久性。此外由于硅藻土内部具有空隙结构，还能吸附小分子物质，如液体和有机气体，提高了过滤的效率。
凝胶可以将抗菌剂和硅藻土固定，此外，凝胶干燥后形成气凝胶，含有丰富的孔洞，能够吸附有害气体，提高了过滤效率。
本发明对抗菌剂的种类没有特殊的要求，可以为所属领域技术人员所知，优选的，所述抗菌剂选自银、酰基苯胺类抗菌剂、咪唑类抗菌剂、噻唑类抗菌剂、异噻唑酮衍生物抗菌剂、季铵盐类抗菌剂、双呱类抗菌剂、酚类抗菌剂中的至少一种。所述银化合物可以为银粉、银纳米线、银纳米管、银纳米片中的至少一种。
本发明中，优选的，所述硅藻土的粒径为50~200nm。
优选的，所述硅藻土的比表面积为312~385m2/g。
本发明还提供一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅藻土在400~500℃下煅烧1~3h，然后加入5~10倍的水中，超声分散30~50min后，沉化1~3h，弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在100℃～120℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土粉末，将细化硅藻土酸化，得到酸化硅藻土；然后将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺和酸化硅藻土在水中超声分散均匀，在40~68℃下反应30~60min，得到改性硅藻土；
（2）将纳米线和水溶性高分子聚合物水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和抗菌剂，混合均匀后，在50~80℃下继续搅拌30~60min，得到抗菌凝胶；
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
根据本发明，在步骤（1）中，在改性硅藻土的制备过程中，采用超声波辅助溶液浸渍法，超声波的空化作用能显著改善硅藻土的性能，并且有助于增大硅藻土的比表面积，确保二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺在硅藻土的表面及孔道内分布均匀，并发生共价键合反应，使硅藻土表面和微孔壁上皆载有具有螯合配位作用的多氨基多羧酸化合物，提高硅藻土的比表面积和吸附性能，提高了其对抑菌剂的吸附能力。所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为1-3:1-2:50。
根据本发明，优选的，所述硅藻土的酸化处理工艺为：将细化硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为1~3的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌2~5h，然后静置15~30min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将过滤产物转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度控制在80℃～100℃之间，得到改性硅藻土。
优选的，所述纳米线选自硬硅钙石纳米线、羟基磷灰石纳米线、碳酸钙纳米线、碲纳米线、二氧化铈纳米线和细菌纤维素纳米线中的至少一种。
优选的，所述水溶性高分子聚合物选自海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、支链淀粉、明胶中的至少一种。
优选的，所述纳米线、水溶性高分子聚合物、改性硅藻土、抗菌剂的配合质量比为：1-5:3-8:10-20:0.5-1。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸及其制备方法，该硅藻土纸包括上玻璃纤维层、下玻璃纤维层，以及中间的抗菌净化涂层，在抗菌涂层中，将抗菌剂与硅藻土负载在多孔的凝胶上，使得抗菌剂分散得更均匀，并且具有气体交换功能，即使吸附有机气体，过滤性更持久，用该方法制备的空气过滤纸，抗菌效果好且更耐久。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，步骤如下：
（1）将硅藻土在450℃下煅烧1.5h，然后加入8倍的水中，超声分散45min后，沉化2h，烘干后得到硅藻土粉末；弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在120℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土粉末；
将硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为2.3的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌3h，然后静置20min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将硅藻土转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度位90℃；
将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺和酸化硅藻土粉末在水中超声分散均匀，在50℃下反应45min，得到粒径为100nm、比表面积为385m2/g为改性硅藻土；所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为1:1:50。
（2）将羟基磷灰石纳米线和明胶水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和银粉，混合均匀后，在75℃下继续搅拌30min，得到抗菌凝胶；纳米线、水溶性高分子聚合物、改性硅藻土、抗菌剂银的配合质量比为：1:3:10:0.5。
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
本实施制备的具有交换功能的空气净化硅藻土纸由第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层组成；
所述第一玻璃纤维层的厚度为0.2mm；第二玻璃纤维层的厚度为0.2mm；
所述抗菌净化涂层的厚度为0.1mm。
实施例2
一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，步骤如下：
（1）将硅藻土在420℃下煅烧2h，然后加入6倍的水中，超声分散45min后，沉化1.5h，烘干后得到硅藻土粉末；弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在100℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土粉末；
将硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为1.8的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌2h，然后静置25min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将硅藻土转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度位80℃，得到改性硅藻土；
将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺和酸化硅藻土粉末在水中超声分散均匀，在60℃下反应45min，得到粒径为50nm、比表面积为3785m2/g为改性硅藻土；所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为2:1:50。
（2）将碳酸钙纳米线和琼脂水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和季铵盐类抗菌剂，混合均匀后，在60℃下继续搅拌45min，得到抗菌凝胶；碳酸钙纳米线、水溶性高分子聚合物琼脂、改性硅藻土、季铵盐类抗菌剂的配合质量比为：2:8:15:1。
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
本实施制备的具有交换功能的空气净化硅藻土纸由第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层组成；
所述第一玻璃纤维层的厚度为0.3mm；第二玻璃纤维层的厚度为0.3mm；
所述抗菌净化涂层的厚度为0.05mm。
实施例3
一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，步骤如下：
（1）将硅藻土在500℃下煅烧1h，然后加入10倍的水中，超声分散30min后，沉化3h，烘干后得到硅藻土粉末；弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在120℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土粉末；
将硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为1的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌2h，然后静置15min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将硅藻土转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度位90℃，得到改性硅藻土；
将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺和酸化硅藻土粉末在水中超声分散均匀，在68℃下反应30min，得到粒径为150nm、比表面积为338m2/g为改性硅藻土；所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为3:1:50。
（2）将二氧化铈纳米线和壳聚糖水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和异噻唑酮衍生物抗菌剂，混合均匀后，在50℃下继续搅拌60min，得到抗菌凝胶；二氧化铈纳米线、壳聚糖、改性硅藻土、异噻唑酮衍生物抗菌剂的配合质量比为：1:3:20:0.5。
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
本实施制备的具有交换功能的空气净化硅藻土纸由第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层组成；
所述第一玻璃纤维层的厚度为0.25mm；第二玻璃纤维层的厚度为0.25mm；
所述抗菌净化涂层的厚度为0.15mm。
实施例4
一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，步骤如下：
（1）将硅藻土在400℃下煅烧3h，然后加入5倍的水中，超声分散50min后，沉化1h，烘干后得到硅藻土粉末；弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在100℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土粉末；
将硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为3的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌5h，然后静置30min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将硅藻土转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度为100℃，得到改性硅藻土；
将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺和酸化硅藻土粉末在水中超声分散均匀，在40℃下反应60min，得到粒径为200nm、比表面积为312m2/g为改性硅藻土；所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为3:2:50。
（2）将细菌纤维素纳米线和海藻酸钠水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和咪唑类抗菌剂，混合均匀后，在80℃下继续搅拌30min，得到抗菌凝胶；细菌纤维素纳米线、海藻酸钠、改性硅藻土、咪唑类抗菌剂的配合质量比为：5:8:20:1。
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
本实施制备的具有交换功能的空气净化硅藻土纸由第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层组成；
所述第一玻璃纤维层的厚度为0.1mm；第二玻璃纤维层的厚度为0.1mm；
所述抗菌净化涂层的厚度为0.2mm。
对比例1
一种滤纸的制备方法，步骤如下：
（1）将细菌纤维素纳米线和海藻酸钠水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入咪唑类抗菌剂，混合均匀后，在80℃下继续搅拌30min，得到抗菌凝胶；细菌纤维素纳米线、海藻酸钠、改性硅藻土、咪唑类抗菌剂的配合质量比为：5:8:20:1。
（2）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到滤纸。
本实施制备的滤纸由第一玻璃纤维层、第二玻璃纤维层和设置在第一玻璃纤维层和第二玻璃纤维层之间的抗菌净化涂层组成；
所述第一玻璃纤维层的厚度为0.1mm；第二玻璃纤维层的厚度为0.1mm；
所述抗菌净化涂层的厚度为0.2mm。
本发明还对实施例1~4和对比例1中的滤纸纸进行了测试，测试方法如下。
1、抑菌实验
配制肉膏蛋白胨琼脂培养基并灭菌后，倒入已灭菌的培养皿制得平板备用。
用无菌生理盐水将大肠杆菌菌种配成105CFU/mL左右的菌液，并用平板计数法测定活菌数；用无菌移液管吸取菌液滴于滤纸上，与滤纸接触若干时间后，再吸取菌液滴于平板上，用无菌三角棒涂布均匀。
将平板水平移至37℃恒温培养箱中培养2h、12h后，取出计算抑菌率，实验结果见表1所示。
2、吸附实验
本发明的滤纸对甲醛的净化性能评价在Φ20mm、长200mm直型聚四氟乙烯管反应器中进行，滤纸的装填尺寸为Φ20mm*50mm(滤纸装填直径与直型聚四氟乙烯管反应器相同，保证通过的气体均经过滤纸处理)，原料气组成为：甲醛浓度6 ppm，其余为空气。反应在25℃常压环境下进行，反应气体积空速(GHSV)为6000h-1，由国产GD80便携式甲醛气体检测仪检测出甲醛浓度计算得到甲醛净化率，实验结果见表1所示。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001

Claims (3)

1.一种具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将硅藻土在400～500℃下煅烧1～3h，然后加入5～10倍的水中，超声分散30～50min后，沉化1～3h，弃去上清液后抽滤，并用去离子水洗涤，最后将洗净的硅藻土置于烘箱中，在100℃～120℃温度下干燥24h，得到细化硅藻土，将细化硅藻土酸化，得到酸化硅藻土，然后将二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、甲醛和酸化硅藻土粉末在水中超声分散均匀，在40～68℃下反应30～60min，得到改性硅藻土；
（2）将纳米线和水溶性高分子聚合物水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入改性硅藻土和抗菌剂，混合均匀后，在50～80℃下继续搅拌30～60min，得到抗菌凝胶；所述纳米线选自硬硅钙石纳米线、羟基磷灰石纳米线、碳酸钙纳米线、碲纳米线、二氧化铈纳米线和细菌纤维素纳米线中的至少一种；所述抗菌剂选自银、酰基苯胺类抗菌剂、咪唑类抗菌剂、噻唑类抗菌剂、异噻唑酮衍生物抗菌剂、季铵盐类抗菌剂、双呱类抗菌剂、酚类抗菌剂中的至少一种；所述水溶性高分子聚合物选自海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、支链淀粉、明胶中的至少一种；所述纳米线、水溶性高分子聚合物、改性硅藻土、抗菌剂的配合质量比为：1-5:3-8:10-20:0.5-1；
（3）将抗菌凝胶涂覆在第一玻璃纤维滤纸的上表面，然后再将第二玻璃纤维滤纸覆盖在第一玻璃纤维滤纸的上表面，干燥后，得到具有交换功能的空气净化硅藻土纸。
2.根据权利要求1所述的具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述硅藻土的酸化处理工艺为：将硅藻土用去离子水洗净后，首先置于pH为1～3的酸性溶液中浸泡，室温下搅拌2～5h，然后静置15～30min后弃去上清液，再用去离子水浸泡，每15min换水一次，待浸泡水的pH值不再明显变化时，先将浸泡水弃去，再将硅藻土转移至蒸发皿中，将其置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度控制在80℃～100℃之间，得到酸化硅藻土。
3.根据权利要求1所述的具有交换功能的空气净化硅藻土纸的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中所述二乙烯三胺五乙酸、三聚氰胺、酸化硅藻土质量配合比为1-3:1-2:50。
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