CN108948326B - 一种能清除空气中细菌的超大孔阳离子聚合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种超大孔阳离子聚合物及其制备方法，它是通过环氧树脂/有机分散体系在固体状态下固化并清洗除去分散剂、最后通过阳离子化处理而获得，该材料具有1～50μm的超大孔以及大孔，其孔隙率高于90％，表观密度低于0.1g/mL。制备过程中使用三羟甲基丙烷作为分散剂，利用其与环氧树脂E‑51适度亲和性而起到分散作用，并且通过在冷却过程中的连续结晶行为而致孔，在固体状态下固化环氧树脂，避免了相分离对材料性能的影响。当空气流通于材料孔道中时能够将细菌吸附到材料表面，借此实现微生物污染空气的净化。这种空气净化方式的优点是：装置结构简单，材料能多次循环使用，成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都无害，没有二次污染。

Description

一种能清除空气中细菌的超大孔阳离子聚合物及其制备方法

技术领域

本发明是关于一种能清除空气中细菌污染的超大孔阳离子聚合物及其制备方法。使 用这种超大孔阳离子聚合物可以方便、快捷、有效的去除空气中微生物污染。

背景技术

空气不是微生物良好的生存场所，因为空气中不仅没有微生物生长繁殖所需要的营 养物质和充足的水分，还有日光中紫外线的照射。但是土壤、水体、各种腐烂的有机物以及人和动物体上的微生物，都可以随着气流的运动被携带到空气中，空气中确实漂浮 着许多看不见的微生物，它们主要有各种球菌、芽孢杆菌、产色素细菌以及对干燥和射 线有抵抗力的真菌孢子等，也可能有像结核分枝杆菌、白喉杆菌那样的病原性细菌。灰 尘是细菌的主要载体，因而尘埃量多的空气中，微生物也多，一般在畜舍、公共场所、 医院、宿舍、城市街道等的空气中，微生物数量最多。近年来，城市化生活方式促使人 口的大量聚集与流动，雾霾气候愈加频繁，空气中微生物的污染明显加剧，对人类的健 康产生严重威胁，所以越来越引起人们的重视。

细菌是一种形态微小、无色半透明并含有大量水分的微小生物，控制微生物的方法 有物理方法与化学方法，物理方法包括：热力、辐射、过滤、渗透压、干燥和超声波； 化学方法就是使用消毒剂来杀灭微生物。必须指出的是，消灭细菌的手段或方法往往会 同样对人体造成伤害，所以上述方法大都只能针对小范围的特殊场合下使用，对于人居 环境中的空气进行杀菌消毒，目前缺乏一种安全的方法，紫外线常用来对人居环境进行 高效的杀菌，但是紫外线本身对人体有害，同时紫外线会产生臭氧，也会造成对人体的 伤害。相比之下，过滤方法是比较安全的，但是对于形态较小的细菌来说，过滤介质的 孔径也要很小，那么空气阻力就会很大，过滤的效率就是一个问题，一般来说过滤方法 比较适合于清除液体中的细菌污染。本发明制备了一种超大孔聚合物，通过对其表面进 行阳离子化，一方面使材料表面带有正电荷，这样就能吸附带负电荷的细菌(细菌的等 电点为pH＝2～5，在接近中性的环境中通常带负电荷)；另一方面，增强材料的亲水 性，而细菌一般具有很好的亲水性，很容易被吸附到材料中，更有益的是积聚的污染物 质很容易被水清洗，从而使该材料能够多次循环使用。这种空气净化的方案有很多优点： 装置结构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都安全友好，没有二次污 染。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是针对人居环境空气中微生物污染问题提供一种 操作方便、效果良好的空气净化新方案，它依赖一种超大孔阳离子聚合物，空气中的细菌可以被聚合物俘获吸附，因而可以达到净化空气的目的。沉积在材料中的污染物很容 易用水清洗，高分子材料能够多次循环使用，这种空气净化的方案有很多优点：装置结 构简单，使用成本低，能耗小，适应性强，对环境与人都友好，没有二次污染，非常适 合在人居环境中应用。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述超大孔阳离子聚合物的制备路线与 方法，它切实可行，操作简便，易于批量生产。

本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种上述超大孔阳离子聚合物在清除空 气中漂浮微生物的具体应用。

1、本发明解决首要技术问题所采用的技术方案为：一种超大孔阳离子聚合物，其结构具有如图1所示的特征，这种材料拥有1～50μm的相互连通的超大孔以及 极为复杂的孔壁形貌，其孔隙率达到90％以上，聚合物表面带有阳离子，具有 较强的亲水性，所以很容易吸附颗粒物质，又能使空气快速流通，可以达到净 化空气的目的。

非常有益的是，超大孔结构的开放性能够允许细菌进入到材料内部，通过吸附作用 将细菌控制起来，这种方式非常安全，不会对环境造成影响；

非常有益的是，上述超大孔阳离子聚合物带有苄基，能够有效杀灭吸附的细菌，使其不能在材料孔道中存活，同时这些吸附的细菌还能被水清洗去除，使材料可以循环使用。

2.、本发明解决另一个技术问题所采用的技术方案为：一种上述高分子骨架材料的 制备方法，其特征步骤为：1)三羟甲基丙烷加热融化至能流动液体，加入环氧 树脂(牌号E-51)快速搅拌得到白色分散液，三羟甲基丙烷与环氧树脂的质量 比在20/1～30/1范围，迅速加入二乙烯三胺，环氧树脂与二乙烯三胺的质量比 在8/1～6/1范围；2)用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，最后得到粘稠的半 固体，迅速倒入模具中，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却2～3小时，经过 冷冻后得到坚硬的白色固体；3)将固体在45℃下固化12～15小时，固体产物 放入水中浸泡，彻底洗去三羟甲基丙烷，然后放入真空烘箱中常温下干燥，得 到白色的稳定的聚合物多孔材料；4)将聚合物材料放入苄基溴的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％～4wt.％范围，50℃下浸泡反应2～3小时，然后放入 水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘 箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

非常有益的是，三羟甲基丙烷对环氧树脂既有一定的亲和性，但又不能将环氧树脂 完全溶解，这种状态非常有利于连续结晶，形成从微米尺度到纳米尺度的结晶，从而制造出孔径分布极宽的多孔结构；

非常有益的是，环氧树脂是在低于三羟甲基丙烷熔点的温度下，也就是固体状态下 发生固化反应，这样就能完全避免相分离对产物形貌造成的影响，保证了产物内部形貌的连续性以及宏观上的机械强度；

非常有益的是，在分散液中环氧树脂的浓度可以非常低，因而所得到的多孔材料其 表观密度也非常低，孔隙率很大，其内部的三维孔道完全贯通。

3.、本发明解决再一个技术问题所采用的技术方案为：上述超大孔阳离子聚合物在 清除空气中细菌污染中的应用方法，其特征在于先将聚合物吸附材料切割成 1×1×1mm颗粒状，然后填充在一个如图2所示的通风装置中，装置被封闭在一个 总体积为2m³空间中，填充厚度可根据阻力以及风机的功率大小决定，在风机的推 动力作用下，污染空气流通在颗粒堆积的缝隙中，在此过程中颗粒物质被聚合物材 料俘获并吸附，通过测量单位时间净化前后单位体积的空气中细菌的个数指数来评 价其对空气的净化效果。

非常有益的是，上述处理方法操作简单，材料可以重复使用，运行成本合理，由于不是基于过滤原理，所以无论何种尺寸的颗粒物质都能清除，效果理想，不会造成二次 污染。

本发明的优点在于：利用特殊设计并制备的超大孔阳离子聚合物将空气中的细菌吸 附到材料中，或通过水洗的方式再一次转移到水相中，避免了现有紫外线杀菌在安全方面的弊端，可以使空气净化问题得到简化，有利于人与环境的和谐相处。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

材料制备：

实施例1

60.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂E-51搅拌分散，加入0.44g二乙烯三胺，用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，得到粘稠的半固体， 其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化后置于冰箱中进一步冷却结晶3小 时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固化12小时，水中反复浸泡至三羟 甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色泡沫状材料，将聚合物材料放入苄基 溴的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在4wt.％，50℃下浸泡反应2小时，然后放入水中浸 泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥， 得到最终的白色固体产物。

实施例2

90.0g三羟甲基丙烷加热融化至透明能流动液体，加入3.0g环氧树脂E-51搅拌分散，再加入0.50g二乙烯三胺，不断搅拌得到良好的分散液，用冰水冷却并剧烈搅拌使 其放热均匀，得到粘稠的半固体，其中含有大量微小晶体，倒入塑料模具，待彻底固化 后置于冰箱中进一步冷却结晶4小时，经过冷冻后得到坚硬的白色固体，在45℃下固 化14小时，在水中反复浸泡至三羟甲基丙烷彻底去除后，真空中常温干燥，得到白色 泡沫材料，将聚合物材料放入苄基溴的乙醇溶液中，溶液的浓度保持在2wt.％，50℃下 浸泡反应3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，处理后的材料有明显的膨胀软化现象， 然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

净化测试方式：

在一个2立方米的封闭空间中构建一个空气循环装置，用送风机将空气通过管道穿 过聚合物填充柱，以填充柱的截面积来计算空气流量。用标准的方法测量单位体积的空气中细菌的个数，具体方法是：事先准备好的无菌培养基放入封闭空间中，经过半小时 的净化操作，让培养皿在空气中暴露2～2.5分钟，使检测空间内的细菌落到培养基上， 然后封闭放置在恒温培养箱中培养36小时，计算培养皿内菌落数量，由此推算空气中 每立方米内细菌的个数，培养皿内菌落的情况如图3所示，净化前后培养皿内菌落有明 显的变化。在实验过程中进一步观察材料空气流量对净化效果的影响。

测试结果：表1列出了不同填充厚度和不同空气流量下的测量结果，由此可以得出以下二个结论：1、在同样净化时间的情况下，残留细菌个数随填充厚度的增加而减少， 说明湿法空气净化效果是存在的；2、空气流速越大，空气循环的速率就越快，细菌的 密度减少的越快，说明其累积的净化效果就越显著。

表1不同填充厚度和不同空气流量下的净化效果*

附图说明

图1超大孔阳离子聚合物的扫描电镜图像。

图2空气净化装置示意图。

图3净化前后培养基上的菌落。

Claims (2)

1.一种超大孔阳离子聚合物，其特征在于拥有1～50μm的相互贯通的超大孔和大孔以及凹凸不平的孔壁形貌，孔隙率高于90％，表观密度低于0.1g/mL，它能够将空气中的细菌以吸附的方式净化；

所述的超大孔阳离子聚合物是通过环氧树脂/有机分散体系在固体状态下固化并水洗除去分散剂、最后通过阳离子化处理而获得；

超大孔阳离子聚合物制备过程中使用三羟甲基丙烷熔体作为有机分散剂，利用其在冷却过程中的连续结晶而致孔，三羟甲基丙烷先后起到了分散剂和致孔剂的作用。

2.一种权利要求1所述的超大孔阳离子聚合物的制备方法，其特征在于步骤依次为：

1)三羟甲基丙烷加热融化至能流动液体，加入环氧树脂E-51快速搅拌得到白色分散液，迅速加入二乙烯三胺，环氧树脂与二乙烯三胺的质量比在8/1～6/1范围内，三羟甲基丙烷与环氧树脂的质量比在20/1～30/1范围内；

2)用冰水冷却并剧烈搅拌使其放热均匀，最后得到粘稠的半固体，迅速倒入模具中，待彻底结晶后置于冰箱中进一步冷却2～3小时，经过冷却后得到坚硬的白色固体；

3)将白色固体在45℃下固化12～15小时，固体产物放入水中浸泡，彻底洗去三羟甲基丙烷，然后在常温下真空干燥，得到白色的稳定的聚合物多孔材料；

4)将聚合物多孔材料放入苄基溴的乙醇溶液中，苄基溴乙醇溶液的浓度在2wt.％～4wt.％范围内，50℃下浸泡反应2～3小时，然后放入水中浸泡5～6小时，阳离子化处理后的材料有明显的膨胀软化现象，然后再放入真空烘箱中常温下干燥，得到最终的白色固体产物。

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