CN109224878A - 一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法 - Google Patents

一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法，将纳米二氧化钛、氧化石墨烯、抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、电气石纳米颗粒、竹醋液原浆和溶剂按一定比例配制成纺丝液，然后通过静电纺丝将该混合液纺到无纺布表面，即得空气净化用复合抗菌膜。本发明提供上述方法克服了现有空气净化过滤材料不具备高效抗菌的功能，采用静电纺丝技术制成的空气净化复合滤膜，抗菌剂中不含银、铜等贵重金属材料，采用的是廉价的有机材料和生物材料，抗菌效果好，制备成本低。本发明工艺简单，仅需配置好纺丝液，静电纺丝即可，既可用于空气净化器也可用于空调滤芯部件、口罩部件等产品中，适合大规模批量化生产。

Description

一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法
技术领域
本发明涉及空气净化材料领域，特别是涉及一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法。
背景技术
经济水平的提高使人们有能力去提升生活环境的品质。随着人们对于空气质量的认识的逐步提升，很多家庭开始使用空气过滤设备，对进入室内的空气进行过滤，以改善居住环境。随着人们对大气环境和室内空气质量的日益重视，空气净化器得到快速发展，对空调设施中空气过滤效率的要求也显得更为苛刻，对其核心部件滤芯材料的要求也越来越严格。
室内空气污染物按照形态可分为气态污染物包括氮氧化物、臭氧、甲醛以及一些挥发性有机化合物等和颗粒状污染物包括石棉、植物、动物纤维、花粉、细菌、霉菌和尘螨等。大部分挥发性有机化合物等可进行氧化还原，去除空气中污染物采用多相催化氧化法。通常采用TiO2等光催化剂，在室温下利用空气中的水蒸气和氧进行光催化降解去除污染物，其与需要在较高温度下进行、操作步骤复杂的其他多相催化氧化法相比较，具有显著的优越性。纤维过滤材料是空气净化过滤用的主要材料，可以过滤粉尘等颗粒状污染物。纤维过滤材料的过滤机理可以分为惯性碰撞、直接拦截、布朗扩散和静电效应等。惯性碰撞是指当颗粒物的惯性达到具有足够的动量，能使其挣脱空气流线和冲击纤维时，产生惯性碰撞效应。质量或颗粒越大，惯性碰撞效率越显著。直接拦截是指当颗粒质量不够大，其惯性不足以脱离流体流线，颗粒直径撞击纤维，从而产生截留效应。布朗扩散是指非常小的颗粒不受流体影响，做布朗扩散运动，最终被纤维捕捉。颗粒物的质量越小，布朗扩散运动越剧烈，越容易被纤维捕集。静电效应指如果气溶胶颗粒物或者纤维带有静电时，颗粒物由于静电吸引被吸附到纤维表面。
目前市场上大部分采用光催化剂和纤维过滤材料作为空气净化产品能够有效除去空气中的挥发性有机物，粉尘离子等，但空气中还存在大量的致病细菌和病毒，传统过滤材料截留效率最低的粒径也是100~300纳米附近，而病毒通常直径为200纳米左右，因此病毒的过滤通常是很困难的。另外，空气净化器中的过滤材料在使用一段时间后，也容易滋生细菌和病毒，会造成二次污染，传统的过滤材料无法保持对细菌和病毒进行截留和灭杀。
专利公开号CN101293107公开了一种广谱生物杀菌性空气过滤材料及其制备方法，由生物抗菌剂和玻璃纤维滤纸组成，通过硅烷化、醛基化、缩合反应和去除物理吸附的抗菌剂而制得生物杀菌性空气过滤材料，该发明杀菌率高，对细菌、芽孢、病毒杀灭率大部分在99%以上，真菌被抑制不能生长，然而生物抗菌剂活性对环境敏感，抗菌效果难以长效保持。专利公开号CN107413160A公开了一种空气净化材料及其制备方法，将炭粉、负离子粉、钠米银、钠米二氧化钛、纳米蒙脱石等混合并搅拌粘结剂，将所述混合物烧结压缩成型，再浸入亚甲基双硫氰酸酯、薄荷提取液、生姜提取液和天然植物精油，得到空气净化材料。虽然纳米银、薄荷提取液、生姜提取液等成分增强了杀菌抑菌的效果，可抑制空气中的流感病毒和细菌，然而抗菌剂中含纳米银粒子等贵重金属材料，制备成本较高。
现有的方案虽然对空气中致病细菌和病毒有一定的截留和杀灭效果，然而其中抗菌剂对抗菌和病毒效果难以长效保证，进而难以满足人们对空净产品过滤效果日益增长的要求。此外，制备成本较高，不利于进行大规模批量化生产。
发明内容
针对现有空气净化过滤材料不具备高效抗菌的功能，本发明采用静电纺丝的方法提供一种空气净化用复合抗菌膜，抗菌杀毒效果优异，生产工艺简单，成本低廉，适合规模化生产。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，将纳米二氧化钛、氧化石墨烯、抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、电气石纳米颗粒、竹醋液原浆和溶剂按比例配制成纺丝液，然后通过静电纺丝将该混合液纺丝到到无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜，具体制备方法如下：
（1）采用多组转鼓喷淋抽吸洗涤和超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为4~20％，洗涤无纺布；
（2）将分散剂、纳米二氧化钛、氧化石墨烯、电气石纳米颗粒、抗菌剂依次加入溶剂中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入高分子聚合物和竹醋液原浆，在50-60°C下，机械搅拌溶解30min ~60min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22 kV ~30kV，纺丝距离为15cm ~25cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
优选的，所述纳米二氧化钛、氧化石墨烯、电气石纳米颗粒所占重量百分比为2%~10%、5%~8%、12%~15%；所述抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、竹醋液和溶剂的质量百分比为15%~20%、5%~9%、25%~30%、30%~35%、40%~60%。
优选的，所述分散剂为六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种。
优选的，所述纳米二氧化钛为金红石相二氧化钛，粒径为10nm~150nm，所述电气石纳米颗粒的粒径为20nm~50nm。
优选的，所述氧化石墨烯的表面接枝有羟基、羧基中的一种或几种。
优选的，所述抗菌剂为亚甲基双硫氰酸酯、苄基二甲基十二烷基溴化铵、山梨酸钾、多糖抗菌肽和松萝酸中一种或几种。
优选的，所述溶剂为四氢呋喃。
优选的，所述高分子为聚乳酸。
优选的，所述清洗无纺布使用的圆鼓抽吸负压为-0.01~ -1.0个大气压，超声波功率为40~100KW。
纳米二氧化钛，直径在100纳米以下，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率和光催化活性，作为光催化半导体无机抗菌剂，具有广谱抗菌功能，能抑制和杀灭细菌和病毒等微生物，并有除臭、防霉、消毒的作用，在光线中紫外线的作用下长久杀菌。锐钛型纳米TiO2对枯草杆菌黑色变种芽孢、绿脓杆菌、大肠杆菌、金色葡萄球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲霉的杀灭率均达到98%以上；氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团，能够改变细菌细胞粒子通道使细菌离子溶出细胞体外，从而使细菌细胞丧失生理活性而死亡。电气石纳米颗粒吸附空气中对人体有害成分和几种细菌群；竹醋原浆是竹材热解得到的液体产物，其主要成分是水、有机酸、酚类、酮类、醇类等物质，对细菌具有很好的渗透性和吸收性，能够抗菌杀毒。上述无机材料和生物材料作为抗菌剂主要成分协同作用，能够有效提高抗菌杀毒作用时间和作用效果，价格低廉，安全环保。鉴于此，针对现有空气净化过滤材料不具备高效抗菌的功能，本发明提供一种空气净化用复合抗菌膜，将纳米二氧化钛、氧化石墨烯、抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、电气石纳米颗粒、竹醋液原浆和溶剂按一定比例配制成纺丝液，然后通过静电纺丝将该混合液纺丝到到无纺布表面，制得空气净化用复合抗菌膜，除菌杀毒长期有效，制备成本低廉。
本发明提出一种空气净化用复合抗菌膜及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提供一种空气净化用复合抗菌膜，在无纺布表面纺有纳米二氧化钛、氧化石墨烯、抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、电气石纳米颗粒、竹醋液原浆和溶剂按一定比例配制成混合纺丝液，通过有机材料和生物材料作为净化剂不仅能够过滤空气中PM2.5和甲醛、苯等有机污染物，而且能够实现对粒径更小的细菌和病毒进行截留和灭杀。
2、本发明制备的空气净化用复合抗菌膜不含银、铜等贵重金属材料，采用的是廉价的有机材料和生物材料，抗菌效果好，制备成本低廉。
3、本发明制备的空气净化用复合抗菌膜能够抑制细菌和病毒的滋生，使用期限较长，有效防止二次污染的产生。
4、本发明工艺简单，仅需配置好纺丝液，静电纺丝即可，既可用于空气净化器也可用于空调滤芯部件、口罩部件等产品中，适合大规模批量化生产。
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
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为-0.01个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为40KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为5％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为7%分散剂六偏磷酸钠、重量百分比为7%，粒径为120 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为5%表面接枝有羟基的氧化石墨烯、重量百分比为13%粒径为25 nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为18%抗菌剂为亚甲基双硫氰酸酯依次加入质量百分比的55%的四氢呋喃中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为29%的聚乳酸和质量百分比为34%竹醋液原浆，在50°C下，机械搅拌溶解35min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22kV，纺丝距离为15cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
实施例2
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为-1.0个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为50KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为20％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为8%分散剂十二烷基苯磺酸钠、重量百分比为2%，粒径为150 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为8%表面接枝有羧基的氧化石墨烯、重量百分比为15%粒径为50nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为20%抗菌剂苄基二甲基十二烷基溴化铵依次加入质量百分比的60%的四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为25%的聚乳酸，质量百分比为30%竹醋液原浆，在55°C下，机械搅拌溶解60min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22kV，纺丝距离为15cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
实施例3
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为-0.05个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为70KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为5％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为5%分散剂六偏磷酸钠、重量百分比为2%，粒径为150 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为6%表面接枝有羟基的氧化石墨烯、重量百分比为14%粒径为40 nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为16%抗菌剂山梨酸钾和松萝酸依次加入质量百分比的44%的四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为30%的聚乳酸和质量百分比为30%的竹醋液原浆，在60°C下，机械搅拌溶解55min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是30kV，纺丝距离为25cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
实施例4
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为-1.0个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为100KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为20％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为5%分散剂十二烷基苯磺酸钠、重量百分比为2%粒径为150 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为8%表面接枝有羟基的氧化石墨烯、重量百分比为12%%粒径为50 nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为15%抗菌剂亚甲基双硫氰酸酯依次加入质量百分比的60%的四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为30%的聚乳酸和质量百分比为33%竹醋液原浆，在60°C下，机械搅拌溶解50min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是30kV，纺丝距离为15cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
实施例5
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为~0.8个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为70KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为18％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为5%分散剂十二烷基苯磺酸钠、重量百分比为10%粒径为10 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为7%表面接枝有羟基基团的氧化石墨烯、重量百分比为12%粒径为20 nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为18%抗菌剂松萝酸依次加入质量百分比的40%的四氢呋喃，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为28%的聚乳酸和质量百分比为34%竹醋液原浆，在60°C下，机械搅拌溶解58min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22~30kV，纺丝距离为25cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
对比例1
（1）采用多组圆鼓在抽吸负压为~0.8个大气压下喷淋抽吸洗涤和设置功率为70KW超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为18％，洗涤无纺布，获得洁净无纺布表面；
（2）将质量百分比为5%分散剂十二烷基苯磺酸钠、重量百分比为10%粒径为10 nm的金红石相二氧化钛、重量百分比为7%表面接枝有羟基基团的氧化石墨烯、重量百分比为12%粒径为20 nm的电气石纳米颗粒、质量百分比为18%抗菌剂松萝酸依次加入质量百分比的40%的四氢呋喃，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入质量百分比为28%的聚乳酸，在60°C下，机械搅拌溶解58min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22~30kV，纺丝距离为25cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
对比例1未采用竹醋液。从而影响膜的杀菌作用。
实施例1-5、对比例1在无纺布的纺丝沉积厚度控制在3mm，裁剪为300mm×300mm的正方形，用于过滤模拟污染空气，模拟室内通入甲醛、苯、氨气，每种初始物浓度0.80 mg/m3并保持该浓度。制备大肠杆菌浓度为1×106- 3×106 cfu/ml。测试37℃、湿度68%下连续工作一周，测试膜的过滤效率，如表1所示。
表1：
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
大肠杆菌杀菌率% 99.4 99.5 99.9 99.8 99.9 78.4
甲醛过滤效率% 99.2 99.9 99.9 99.9 99.9 69.1
苯过滤效率% 99.9 99.4 99.9 99.9 99.8 76.5
氨过滤效率% 99.3 99.9 99.6 99.8 99.5 87.4

Claims (9)

1.一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，将纳米二氧化钛、氧化石墨烯、抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、电气石纳米颗粒、竹醋液原浆和溶剂按比例配制成纺丝液，然后通过静电纺丝将该混合液纺丝到无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜，具体制备方法如下：
（1）采用多组转鼓喷淋抽吸洗涤和超声波震荡清洗相结合的清洗方式，清洗液为烧碱溶液，其浓度为4~20％，洗涤无纺布；
（2）将分散剂、纳米二氧化钛、氧化石墨烯、电气石纳米颗粒、抗菌剂依次加入溶剂中，搅拌均匀，得到分散液；
（3）向所述分散液中加入高分子聚合物和竹醋液原浆，在50-60°C下，机械搅拌溶解30min ~60min，得到混合静电纺丝液；
（4）将所述纺丝液加入静电纺丝设备中，设置纺丝电压是22 kV ~30kV，纺丝距离为15cm ~25cm，将所述纺丝液纺丝至步骤（1）得到的无纺布表面，得到空气净化用复合抗菌膜。
2.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛、氧化石墨烯、电气石纳米颗粒所占重量百分比为2%~10%、5%~8%、12%~15%；所述抗菌剂、分散剂、高分子聚合物、竹醋液和溶剂的质量百分比为15%~20%、5%~9%、25%~30%、30%~35%、40%~60%。
3.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述分散剂为六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛为金红石相二氧化钛，粒径为10nm~150nm，所述电气石纳米颗粒的粒径为20nm~50nm。
5.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的表面接枝有羟基、羧基基团中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述抗菌剂为亚甲基双硫氰酸酯、苄基二甲基十二烷基溴化铵、山梨酸钾、多糖抗菌肽和松萝酸中一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂为四氢呋喃。
8.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述高分子为聚乳酸。
9.根据权利要求1所述的一种空气净化用复合抗菌膜的制备方法，其特征在于，所述清洗无纺布使用的圆鼓抽吸负压为-0.01~ -1.0个大气压，超声波功率为40~100KW。
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