CN107964697A - 一种天然抗菌碳纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗菌纤维技术领域，特别是涉及一种天然抗菌碳纤维及制备方法，所述天然抗菌碳纤维的制备方法，包括以下步骤：（1）对中草药进行提取，得到中草药提取液；（2）将中草药提取液、聚合物乳液和发泡剂在有机溶剂中混合后，得到混合乳液，然后对混合乳液进行喷丝，得到高分子纤维；（4）将高分子纤维碳化，得到碳纤维；（5）将碳纤维在水蒸气中活化，得到快速分级净化空气的碳纤维。本发明方法获得的碳纤维不仅具有发达的孔隙结构、较高活化得率、较大的比表面积，还对空气中的有害气体及其微粒都具有优良的吸附效果，对细菌具有良好的抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌纤维技术领域，特别是涉及一种天然抗菌碳纤维及制备方法。
背景技术
活性炭是一种多孔性的碳材料，含有大量微孔，其高度发达的孔隙结构使它具有庞大的表面积，能有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物，包含某些有毒的重金属，也能够除去空气中的有毒有害气体，达到吸附、净化的作用。活性碳纤维（为纤维状），纤维上布满微孔，其对有机气体吸附能力比颗粒活性炭在空气中高几倍至几十倍，在水溶液中高5～6倍，吸附速率快100～1000倍。在工业上利用他的超强吸附能力去回收有机溶剂，净化空气，净化用水。由于活性碳纤维在使用过程中，也会吸附微生物，使过滤吸附材料霉变，会造成微生物污染，因此活性碳纤维的抗菌性能也越来越受到重视。
金属铜作为一种抗菌剂已经有数千年的历史，早在4000多年前的印度就用铜壶储水消毒。铜是人体健康不可缺少的微量营养素，对于血液、中枢神经和免疫系统，头发、皮肤和骨骼组织以及脑和肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。与银相比，铜不仅价格低廉，而且具有较高的化学稳定性和环境安全性，但是金属铜对人体也有很大为危害，因此限制了它的应用。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明公开了一种制造工艺简单，成本低，又具有抗菌耐霉的活性碳纤维天然抗菌碳纤维及制备方法，它具有发展前景和广阔的应用市场。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）对中草药进行提取，得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、聚合物乳液和发泡剂在有机溶剂中混合后，得到混合乳液，然后对混合乳液进行喷丝，得到高分子纤维；
（4）将高分子纤维碳化，得到碳纤维；
（5）将碳纤维在水蒸气中活化，得到快速分级净化空气的碳纤维。
本发明中首先将中草药提取液与聚合物乳液和发泡剂复合进行纺丝，制得含有中草药提取液和发泡剂的聚合物纤维，然后对聚合物纤维进行碳化，一方面，可以使聚合物碳化，生成碳纤维，另一方面，也可以使发泡剂分解，生成多孔碳纤维，提高碳纤维的比表面积，提高了碳纤维的抗菌性能和吸附性能。
根据本发明，本发明中中草药的提取工艺可以为所属领域技术人员所知，优选条件下，在步骤（1）中，所述中草药的提取工艺为：将中草药在液氮中放置5~10min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在60~100℃下，超声萃取15~30min，过滤得到中草药提取液。
根据本发明，优选条件下，所述中草药选自吴茱萸、栀子、黄芩、黄连、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、厚朴、茴香、薰衣草、丝瓜络、红大戟、龙脷叶、川芎、凤尾竹、白鲜皮、杏仁、薄荷、柠檬中的至少一种。
本发明对聚合物乳液的种类没有特殊的要求，可以为制备高分子纤维常用的聚合物乳液，例如所述聚合物乳液可以为酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅树脂和呋喃树脂中的至少一种。
本发明通过静电纺丝，对混合乳液进行喷丝处理，将混合乳液制备成高分子纤维，其中，在步骤（3）中，所述喷丝工艺为：将混合乳液进行多针头静电纺丝，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所纺的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收，得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米纤维的复合滤料。
优选的，所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个。
根据本发明，发泡剂能够在高温下分解，在碳纤维上形成多孔结构，提高碳纤维的吸附性能和比表面积，优选条件下，所述发泡剂选自4,4-氧代双苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、N,N’-二亚硝基五次甲基四胺中的至少一种。
根据本发明，优选条件下，所述有机溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯和二甲基亚砜中的至少一种。
本发明中，通过在高温下对高分子纤维进行碳化，并且使发泡剂分解，形成多孔碳纤维，优选条件下，在步骤（4）中，所述高分子纤维的碳化工艺为：在惰性气体氛围中，首先升温至120~150℃，保温3~8h，再升温至500~800℃，保温2~8h。
为了进一步提高碳纤维的比表面积，本发明中将多孔碳纤维置于水蒸气中进行活化处理，优选的，所述活化处理的工艺为将碳纤维在含有过氧化氢的水蒸气中放置20~240min，其中所述水蒸气的温度为100~150℃；碳纤维经水蒸气活化后形成卷曲的碳纤维，卷曲的碳纤维互相织网组成一个快速吸附空气中污染物的通道，然后碳纤维布满的微孔进一步吸附储存空气中的有害物，从未而实现了对空气快速分级净化的目的卷曲的碳纤维互相织网组成一个快速吸附空气中污染物的通道，然后碳纤维布满的微孔进一步吸附储存空气中的有害物，从而实现了分级净化的目的。
优选的，本发明还在水蒸气中加入了过氧化氢，过氧化氢不仅能够缩短活化时间，降低活化温度，此外，过氧化氢还能够保留碳纤维表面的官能团，有利于吸附空气中的有害气体和微粒，优选的，所述含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为1-5％的过氧化氢水溶液产生
本发明还提供一种天然抗菌碳纤维，根据上述的制备方法制备得到。
与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明中首先将中草药提取液与聚合物乳液和发泡剂复合进行纺丝，制得含有中草药提取液和发泡剂的聚合物纤维，然后对聚合物纤维进行碳化，一方面，可以使聚合物碳化，生成碳纤维，另一方面，也可以使发泡剂分解，生成多孔碳纤维，提高碳纤维的比表面积，提高了碳纤维的抗菌性能和吸附性能。
2、本发明所述制备方法得到的活性炭纤维具有高比表面和丰富表面官能团，确保了纤维本身具有优良的吸附性能和对特定污染物有特殊的效果，通过水蒸气活化后形成卷曲的碳纤维，卷曲的碳纤维互相织网组成一个快速吸附空气中污染物的通道，进一步吸附有害物，实现了对分级净化的目的。
综上，本发明方法获得的碳纤维不仅具有发达的孔隙结构、较高活化得率、较大的比表面积，还对空气中的有害气体及其微粒都具有优良的吸附效果，对细菌具有良好的抑制效果。
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
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、栀子、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、薰衣草、丝瓜络、川芎、杏仁、薄荷、柠檬在液氮中放置6min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在80℃下，超声萃取20min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、酚醛树脂和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至750℃，保温3h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维将碳纤维在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置30min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为3％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为0.3：1。
实施例2
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将黄芩、黄连、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、薰衣草、丝瓜络、红大戟、龙脷叶、川芎、凤尾竹在液氮中放置5min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在70℃下，超声萃取25min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、酚醛树脂和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至140℃，保温6h，再升温至600℃，保温5h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置60min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为1：1。
实施例3
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、黄连、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、厚朴、茴香、红大戟、龙脷叶、川芎、凤尾竹、柠檬在液氮中放置10min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在75℃下，超声萃取20min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、聚酰亚胺和偶氮二甲酰胺在二甲基亚砜中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至120℃，保温8h，再升温至600℃，保温3h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置120min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为2.5％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为2：1。
实施例4
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、艾叶、厚朴、茴香、薰衣草、红大戟、龙脷叶、川芎、凤尾竹、薄荷、柠檬在液氮中放置10min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在100℃下，超声萃取30min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、聚酰亚胺和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基亚砜中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至150℃，保温3h，再升温至500℃，保温8h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维在温度为150℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置20min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为1％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为1.5：1。
实施例5
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、黄芩、黄连、黄柏、金银花、白芍、三白草、决明子、艾叶、厚朴、薰衣草、丝瓜络、红大戟、川芎、凤尾竹、白鲜皮、薄荷、柠檬在液氮中放置5min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在60℃下，超声萃取15min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、聚酰亚胺和偶氮二甲酰胺在N-甲基吡咯烷酮中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至800℃，保温2h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维在温度为100℃的含有过氧化氢的水蒸气中放置240min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为5％的过氧化氢水溶液产生。
实施例6
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、栀子、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、薰衣草、丝瓜络、川芎、杏仁、薄荷、柠檬在液氮中放置6min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在80℃下，超声萃取20min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、酚醛树脂和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至750℃，保温3h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维将碳纤维在温度为120℃的水蒸气中放置30min，得到快速分级净化空气的碳纤维。
对比例1：
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、栀子、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、薰衣草、丝瓜络、川芎、杏仁、薄荷、柠檬在液氮中放置6min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在80℃下，超声萃取20min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、酚醛树脂和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至750℃，保温3h，得到碳纤维。
对比例2：
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将吴茱萸、栀子、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、薰衣草、丝瓜络、川芎、杏仁、薄荷、柠檬在液氮中放置6min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在80℃下，超声萃取20min，过滤得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、酚醛树脂在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（3）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至750℃，保温3h，得到碳纤维；
（4）将碳纤维将碳纤维在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置30min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为3％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为0.3：1。
对比例3：
一种天然抗菌碳纤维的制备方法，步骤如下：
（1）将酚醛树脂和N,N’-二亚硝基五次甲基四胺在二甲基乙酰胺中混合后，得到混合乳液，将混合乳液进行多针头静电纺丝，并用玻璃纤维滤纸接收聚合物纤维，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所述多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压50KV，纺丝环境条件为温度20℃，相对湿度60％；多针头喷丝单元针头间距15cm，喷丝单元针头数量为30个；
（2）将高分子纤维置于马弗炉中，在氩气氛围中，首先升温至130℃，保温5h，再升温至750℃，保温3h，得到碳纤维；
（3）将碳纤维将碳纤维在温度为120℃的含有过氧化氢和氩气的水蒸气中放置30min，得到快速分级净化空气的碳纤维，其中含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为3％的过氧化氢水溶液产生，所述惰性气体与水蒸气的体积比为0.3：1。
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碳纤维上，与碳纤维接触若干时间后，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、7天后，取出计算抑菌率，实验结果见表1所示。
表1：实施例1~6和对比例1~3中各碳纤维的性能表
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对中草药进行提取，得到中草药提取液；
（2）将中草药提取液、聚合物乳液和发泡剂在有机溶剂中混合后，得到混合乳液，然后对混合乳液进行喷丝，得到高分子纤维；
（4）将高分子纤维碳化，得到碳纤维；
（5）将碳纤维在水蒸气中活化，得到快速分级净化空气的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述中草药的提取工艺为：将中草药在液氮中放置5~10min，然后放入乙醇和水的混合溶液中，在60~100℃下，超声萃取15~30min，过滤得到中草药提取液。
3.根据权利要求2所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：所述中草药选自吴茱萸、栀子、黄芩、黄连、黄柏、金银花、厚朴、白芍、三白草、决明子、败酱草、艾叶、厚朴、茴香、薰衣草、丝瓜络、红大戟、龙脷叶、川芎、凤尾竹、白鲜皮、杏仁、薄荷、柠檬中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：所述聚合物乳液选自酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅树脂和呋喃树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：所述发泡剂选自4,4-氧代双苯磺酰肼、偶氮二甲酰胺、N,N’-二亚硝基五次甲基四胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯和二甲基亚砜中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述高分子纤维的碳化工艺为：在惰性气体氛围中，首先升温至120~150℃，保温3~8h，再升温至500~800℃，保温2~8h。
8.根据权利要求1所述的天然抗菌碳纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（5）中，所述水蒸气活化工艺为：将碳纤维在含有过氧化氢的水蒸气中放置20~240min，其中所述水蒸气的温度为100~150℃；和/或
所述含过氧化氢的水蒸气由质量浓度为1-5％的过氧化氢水溶液产生。
9.一种天然抗菌碳纤维，其特征在于：根据权利要求1~8任意一项所述的制备方法制备得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180427 |
|
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