CN109137131B - 溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用 - Google Patents

溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用，通过PLA(聚乳酸)、PVA(聚乙烯醇)、PEO(聚氧化乙烯)、PEG(聚乙二醇)、PLGA(聚乳酸‑羟基乙酸共聚物)或PGA(聚乙交酯)等可生物降解聚合物中的一种或几种作为原料，在有机溶剂中充分溶解，所述有机溶剂包括：氯仿、丙酮或乙醇中的几种，然后加入纳米除菌剂，所述纳米除菌剂为TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种，搅拌分散均匀；最后采用溶液喷射纺丝进液装置进行纳米纤维制备，将改性纳米纤维沉积到无纺布上，从而形成改性抗菌可降解纳米纤维；可降解纳米纤维的抗菌效果显著，过滤效果较好，具有生物可降解性，环境友好，适宜大规模生产。

Description

溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的 应用
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，具体涉及溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用。
背景技术
随着经济快速发展，我国工业化、城镇化进程加快，大气污染成为难以避免的严重问题，空气质量日渐恶化，大气污染物的排放总量长年居高，2012年以后，国内各个地区陆续出现严重的雾霾天气，有些地区甚至持续性的数日空气质量爆表，呼吸道疾病患病人数大幅增加，严重影响了人们的日常出行和身心健康。同时，随着对健康问题的日益关注，人们对周边环境的空气质量及个人防护日益重视。通常采用空气净化器、个人防护口罩等方式对周围环境进行改善及个人防护。
空气过滤及个人防护口罩应用中，空气过滤材料的性能对空气过滤效果影响巨大。其中，过滤效率和透气性是过滤材料最基本的性能指标。现今，工业化大规模应用的空气过滤材料是采用针刺、水刺、熔喷等方式生产的无纺布及其多层复合材料，主要原理是通过多孔过滤材料的作用从气固两相流中捕集粉尘颗粒。多孔过滤无纺布中纤维直径为几到几十微米范围，微米纤维由于比表面积限制，为了提高过滤效率，需要更多的纤维层排布，从而影响过滤材料透气性，在作为口罩等个人防护应用中个体体验性变差，作为空气过滤滤芯应用中气流量收到限制，能耗升高。
纳米纤维由于比表面积比微米纤维高100倍以上，有利于过滤效率和透气性的平衡，同时满足高空气过滤效率和高透气性的要求，同时滤材重量轻，应用过程中能耗低。静电纺丝作为常用的纳米纤维制备技术，是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。但其生产效率低，不适应大规模生产要求；需要高压静电场，在使用过程中需要相关配套保护装置以确保生产安全性；由于静电场应用，对纤维接收设备有要求，不能将纤维沉积到任意材料表面。
另外，在空气过滤应用中，滤材基本处于阴暗潮湿的环境中，特别是在夏季高温季节，滤材在过滤粉尘、污垢过程中容易滞留细菌，滋生螨虫和各种病菌，通常日常应用中空气滤材更换不及时，这就导致了在实际应用中，过滤了粉尘颗粒，但引入了细菌等新的污染源。
空气过滤材料通常采用高分子聚合物，滤材寿命到期废弃后，大多数高分子聚合物废料的处理是个很大的问题。聚合物材料从环保的角度使用后回收及降解问题目益受到关注，使用生物友好、环境友好的可降解聚合物对实际使用意义重大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用，溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的抗菌效果显著，过滤效果较好，具有生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，环境友好，适合大规模量产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，包括如下制备步骤：
1)将可生物降解聚合物母料进行干燥；
2)将干燥后的可生物降解聚合物母料加入到有机溶剂中，搅拌使聚合物母料完全溶解，得到聚合物溶液，所述有机溶剂包括：氯仿、丙酮或乙醇中的几种；
3)将纳米除菌剂加入到聚合物溶液中，在室温下，超声波分散得到配制好的溶液，所述纳米除菌剂为TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种；
4)将配制好的溶液通过溶液喷射纺丝进液装置进行溶液喷射，将纳米纤维沉积在无纺布接收网帘上，得到产品。
本发明提供的一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用，溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的抗菌效果显著，过滤效果较好，具有生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，环境友好，适合大规模量产。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，所述可生物降解聚合物母料为聚乳酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物或聚乙交酯中的任一种或几种。
作为优选的方案，所述纳米纤维的直径为20nm-800nm，所述纳米纤维的长度与直径比值大于等于1000，所述无纺布为聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中任一种。
作为优选的方案，步骤1)中的干燥是指在60℃-120℃下干燥24h-48h。
作为优选的方案，步骤2)中的搅拌采用磁力搅拌方法，在40℃-70℃下搅拌3-8h。
作为优选的方案，步骤3)中超声波分散的时间为10-60min，超声波分散的功率为100-500W。
作为优选的方案，步骤4)中进行溶液喷射流量为5-100uL/min，气流压强为0.06-1MPa，喷射距离为5-50cm。
作为优选的方案，所述纳米除菌剂的重量百分比小于等于5％，所述聚合物溶液的浓度为5％-30％。
作为优选的方案，一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维在空气过滤中的应用。
作为优选的方案，对PM2.5颗粒过滤效率达到90％-99.97％，过滤压强差值为10Pa-500Pa。
附图说明
图1为本发明实施例提供的喷射纺丝进液装置通过溶液喷射纺丝法进行溶液喷射时的工作图；
图2为本发明实施例提供的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的抗菌效果图；
图3为本发明实施例提供的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的电镜图；
其中：1.配制好的溶液，2.气流，3.气流、溶液边界，4.空气、气流边界，5气流压强，6，溶液喷射流量。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，如图1至3所示，本实施例中的一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，包括如下制备步骤：
1)将可生物降解聚合物母料进行干燥；
2)将干燥后的可生物降解聚合物母料加入到有机溶剂中，搅拌使聚合物母料完全溶解，得到聚合物溶液，所述有机溶剂包括：氯仿、丙酮或乙醇中的几种；
3)将纳米除菌剂加入到聚合物溶液中，在室温下，超声波分散得到配制好的溶液，所述纳米除菌剂为TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种；
4)将配制好的溶液通过溶液喷射纺丝进液装置进行溶液喷射，将纳米纤维沉积在无纺布接收网帘上，得到产品。
本发明提供的一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用，溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的抗菌效果显著，过滤效果较好，具有生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，环境友好，适合大规模量产。
采用水刺、针刺或熔喷中任一种溶液喷射纺方法将纳米纤维沉积在无纺布接收网帘上。
在一些实施例中，所述可生物降解聚合物母料为聚乳酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物或聚乙交酯中的任一种或几种。
采用上述实施例，所用聚合物材料具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，环境友好，不污染环境。
在一些实施例中，所述纳米纤维的直径为20nm-800nm，所述纳米纤维的长度与直径比值大于等于1000，所述无纺布为PP(聚丙烯)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)中任一种。
采用上述实施例，纳米纤维直径20-800nm，所述纳米纤维的长度与直径比值大于等于1000，比表面积大，纳米纤维三维立体分布，空气过滤效率较好，透气性好。
在一些实施例中，步骤1)中的干燥是指在60℃-120℃下干燥24h-48h。
采用上述实施例，干燥效果较好，有利于后续反应的进行。
在一些实施例中，步骤2)中的搅拌采用磁力搅拌方法，在40℃-70℃下搅拌3-8小时。
采用上述实施例，搅拌均匀，反应速率高。
在一些实施例中，步骤3)中超声波分散的时间为10-60min，超声波分散的功率为100-500W。
采用上述实施例，分散均匀，反应良好。
在一些实施例中，步骤4)中进行溶液喷射流量为5-100uL/min，气流压强为0.06-1MPa，喷射距离为5-50cm。
采用上述实施例，方法安全可靠，产能大，适合大规模量产。
在一些实施例中，所述纳米除菌剂的重量百分比小于等于5％，所述聚合物溶液的浓度为5％-30％。
采用上述实施例，加入上述重量百分比的纳米除菌剂，可以有效去除细菌，纳米纤维的抗菌性得到了提高。
在一些实施例中，一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维在空气过滤中的应用。
采用上述实施例，溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维作为过滤材料应用对人体无毒无害，过滤效果较好。
在一些实施例中，对PM2.5颗粒过滤效率达到90％-99.97％，过滤压强差值为10Pa-500Pa。
采用上述实施例，过滤效果较好，适用于在空气过滤中的大规模应用。
其余与上述实施例相同，不同之处在于，一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，包括如下制备步骤：
1)将聚乳酸可生物降解聚合物母料在烘箱中80℃干燥24小时；
2)将聚合物母料加入到含有丙酮和乙醇的有机溶剂中，采用磁力搅拌方法，在60℃下剧烈搅拌5小时，使聚合物完全溶解，配制成8％浓度聚合物溶液；
3)在聚合物溶液中加入重量百分比为3％的TiO2纳米除菌剂，在室温下，超声波分散10分钟，超声波功率为300W，得到配制好的溶液；
4)将配制好的溶液通过溶液喷射纺丝进液装置进行溶液喷射，溶液流量为10uL/min，气流压力为0.138MPa，工作距离为12cm；
5)将配制好的溶液通过溶液喷射纺丝进液装置进行溶液喷射，纳米纤维直径100-300hm范围，长度/直径比大于1000；
Figure BDA0001788699440000071
表1用自制牛肉膏琼脂培养基培养酵母菌与大肠杆菌，调制不同浓度的菌液，放置紫外灯下光照，设置对照组，计算抑菌率。
表1用自制牛肉膏琼脂培养基培养酵母菌与大肠杆菌，调制不同浓度的菌液，放置紫外灯下光照，设置对照组，计算抑菌率，得出改性聚乳酸纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的抗菌效果。从图2和表1中可以观察到，纳米纤维中TiO2含量的越高，纳米纤维的抗菌效果越强，最高可达99.9％，且随着光照时间的延长，纳米纤维的抗菌效果将会更加显著。
另外，采用上述方法制备的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维在空气过滤中的应用，对PM2.5颗粒过滤效率达到99.9％，过滤压力差值为49Pa；证明溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维的过滤效果较好，适用于在空气过滤中的大规模应用。
除传统PP(聚丙烯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等聚合物材料外；本发明使用PLA(聚乳酸)、PVA(聚乙烯醇)、PEO(聚氧化乙烯)、PEG(聚乙二醇)、PLGA(聚乳酸-羟基乙酸共聚物)或PGA(聚乙交酯)等可生物降解聚合物中的一种或几种作为原料，在有机溶剂中充分溶解，所述有机溶剂中包括：氯仿、丙酮和乙醇中的几种，然后加入纳米除菌剂，所述纳米除菌剂为TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种，搅拌分散均匀；最后采用溶液喷射纺方法进行纳米纤维制备，通过水刺、针刺或熔喷中任一种方法将改性纳米纤维沉积在无纺布上，PP(聚丙烯)无纺布或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)无纺布中的任一种作为收集材料，从而形成改性抗菌可降解纳米纤维过滤材料。
所述有机溶剂优选地通过氯仿加入乙醇制备得到，所述有机溶剂优选地通过丙酮加入乙醇制备得到，所述有机溶剂优选地通过丙酮和氯仿加入乙醇制备得到。
本发明提供的一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维及其在空气过滤中的应用，产生如下的有益效果
1)溶液喷射纺丝法制备纳米纤维，制备的纳米纤维直径为20-800nm，比表面积大，纤维三维立体分布，空气过滤效率高，透气性好；
2)加入纳米除菌剂TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种，可以有效去除细菌，保证过滤材料使用效果；
3)溶液喷射纺丝方法安全可靠，工艺简单，产能大，适合大规模量产；
4)所用可生物降解聚合物材料生物适应性好，作为过滤材料应用对人体无毒无害；
5)所用聚合物材料具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，环境友好，不污染环境。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，其特征在于，包括如下制备步骤制备得到：
1)将可生物降解聚合物母料进行干燥；所述可生物降解聚合物母料为聚乳酸、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物或聚乙交酯中的任一种或几种；
2)将干燥后的可生物降解聚合物母料加入到有机溶剂中，搅拌使聚合物母料完全溶解，得到聚合物溶液，所述有机溶剂包括：氯仿、丙酮或乙醇中的几种；
3)将纳米除菌剂加入到聚合物溶液中，在室温下，超声波分散得到配制好的溶液，所述纳米除菌剂为TiO2、Ag2O或MnO2中的任一种；所述纳米除菌剂的重量百分比小于等于5％，所述聚合物溶液的浓度为5％-30％；
4)将配制好的溶液通过溶液喷射纺丝进液装置进行溶液喷射，将纳米纤维沉积在无纺布接收网帘上，得到产品；所述溶液喷射采用水刺、针刺或熔喷中任一种；进行溶液喷射流量为5-100uL/min，气流压强为0.06-1MPa,喷射距离为5-50cm；所述产品的纳米纤维的直径为20nm-300nm，所述纳米纤维的长度与直径比值大于等于1000，所述无纺布为聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中任一种。
2.根据权利要求1所述的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，其特征在于，步骤1)中的干燥是指在60℃-120℃下干燥24h-48h。
3.根据权利要求2所述的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，其特征在于，步骤2)中的搅拌采用磁力搅拌方法，在40℃-70℃下搅拌3-8h。
4.根据权利要求3所述的溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维，其特征在于，步骤3)中超声波分散的时间为10-60min，超声波分散的功率为100-500W。
5.一种溶液喷射法改性抗菌可降解纳米纤维在空气过滤中的应用，其特征在于，对PM2.5颗粒过滤效率达到90％-99.97％，过滤压强差值为10Pa-500Pa。
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