CN109331553A - 纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法及其产品 - Google Patents

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邬淑红
陈超
徐少洪
王敬锋
金彩虹
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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法及其产品。利用静电纺丝将纳米纤维层沉积在窗纱基材上，采用回收溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；将直径在3‑10nm的纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构；通过超声波复合法将覆盖保护层实现与抗菌纤维层、纱窗基材的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。本发明的纤维素晶体抗菌层能有效的截留空气中的固体悬浮物、胶体、细菌等，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达99%；同时静电纺纤维层具备卓越的过滤性能，可以高效阻隔PM2.5、汽车尾气等，对0.3～10μm颗粒的过滤效率≥90％，阻力压降10～30Pa，透光率≥68％，在室内空气过滤市场具有广阔的发展前景。

Description

纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法及其产品
技术领域
本发明涉及一种抗菌纳米纤维复合纱窗及其制备方法，特别是涉及一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法及其产品，属于功能型材料领域。
背景技术
大气污染日益严重，雾霾天气几乎成了常态，PM2 .5作为空气中常见的污染物之一，对人体健康已然造成巨大的威胁，带来的室内污染越来越引起人们的重视。按照目前常规建筑的设计，窗户是室内自然通风的主要结构，在开窗通风的情况下纱窗成为唯一的屏障，除了PM2 .5等细小颗粒物能够进入室内之外，空气中的细菌也会穿透窗户及纱窗。
在雾霾天气里，为了避免雾霾进入室内，人们往往选择关闭窗户或使用窗纱，但传统窗纱只能用于防蚊、小虫子之类，对于PM2.5以下的微粒，即直径小于或等于2 .5微米的颗粒物，防治效果不好，因而有必要开发防雾霾的窗纱，本领域中，一般将纳米纤维应用于防雾霾窗纱的制作。例如，专利CN201520696501.8的一种防雾霾纱窗，其包括第一电机、第一转轴、第二电机、第二转轴和组合窗纱，该组合窗纱包括沿其长度方向依次相连接的第一窗纱、第二窗纱、第三窗纱和第四窗纱，其中第四窗纱为液喷纺微纳米纤维窗纱。专利CN201410272399.9公开一种防雾霾纳米窗纱，是通过在PET聚酯纤维网窗纱基材上喷涂一层纳米纤维膜，并在纳米纤维膜上喷涂纳米二氧化钛，以实现过滤灰尘(含PM2 .5)，控制细菌繁殖和净化空气的目的。
专利CN1421267A公开了一种采用甲壳素涂层聚合物平铺膜的过滤材料，由于使用的原料为甲壳素，原材料来源相对狭窄。相比之下，纤维素纳米晶体(CelluloseNanowhiskers) 是一种从天然纤维素纤维中分离出来的直径在1～100nm之间的具有颗粒状、棒状( 针状) 或丝状结构的纳米材料。溶剂化后的纳米纤维素颗粒之间存在着强氢键相互作用，可形成三维网络的交联结构，从而可起到阻隔分子的作用。此外其还具有吸附微生物如细菌的功能，因此可用作抑菌材料。Angelika-Ioanna Gialleli的研究证实纳米纤维素可稳定去除苹果汁中的酵母和细菌，有效时长分别达55天和30天。
然而，现有过滤PM2.5颗粒物的窗纱滤网中，有的孔径很小，容易被微小颗粒物堵塞而影响通风效果，有的窗纱滤网中雾霾尘粒透过率较高，有的窗纱滤网不具备抗菌和自清洁功能，因此，有必要开发一种既可以防雾霾，又可保持室内通风透气的抗菌防霾窗纱。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱产品。
本发明目的通过下述方案实现：一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，制备工艺如下：
（1）利用静电纺丝将纳米纤维层沉积在窗纱基材上，然后利用溶剂蒸汽回收装置释放静电纺丝过程中回收的溶剂蒸汽，以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理，将纳米纤维表面部分暴露出来，释放速度为0 .5L-10L/min；
（2）将直径在3-10nm 的纤维素纳米晶体涂敷于纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）通过超声波复合法将覆盖保护层与纳米纤维过滤层、纱窗基材熔接，即得具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
其中，所述的步骤（1）中，纳米纤维层为尼龙6、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚芳酯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚砜中的一种，或者是以上聚合物中任意两种或三种聚合物的混合物。
在上述方案基础上，所述回收溶剂为甲酸、四氢呋喃、水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，丙酮、氯仿、甲酚、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、甲乙酮中的一种，或两种及两种以上的混合物。
在上述方案基础上，所述窗纱基材为尼龙、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯、金属丝、碳纤维或玻纤中的一种，窗纱基材网眼目数为10～200目，克重为10～1000g/m2，厚度为0 .01～1mm。
在上述方案基础上，所述覆盖保护层材质为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯/聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯、金属丝、碳纤维或玻纤中的一种，孔径为0.1～200μm，克重为5～300g/m2。
步骤（2）中，所述纤维素为棉短绒、木浆纤维、麦秆纤维、稻草秸秆纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维、青麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维、罗布麻纤维和槿麻纤维中的任意一种。从所述的天然纤维素纤维中分离出来直径在3-10nm之间的纤维素纳米晶体。
步骤（3）所述超声波复合是利用超声波复合机实现多层材料的熔接，其参数为：工作频率15～20kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅：1600mm。
本发明提供一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱，根据上述任一所述方法制备得到。
本产品既可以防雾霾，又可保持室内通风透气的抗菌防雾霾窗纱，以改善现有防雾霾窗纱的防雾霾及通风透气性能较差、抗菌性能及防污自洁能力较差等缺点。并具有入下功能：
（1）抗菌功能，纳米纤维素抗菌层对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达99%；
（2）阻隔功能。静电纺纤维层具备卓越的过滤性能，可以高效阻隔PM2 .5、可见灰、汽车尾气、花粉等，对0 .3～10μm颗粒的过滤效率≥90％，阻力压降10～30Pa，透光率≥68％。
有益效果：
（1）本发明利用超声波复合的方法将覆盖保护层与沉积在纱窗基材上纳米纤维层进行熔接，避免纳米纤维复合纱窗中纳米纤维层结构受到破坏；
（2）纳米纤维材料纤维直径细、孔径小、比表面积大的优点可充分使材料在保持高过滤效率的同时，具有较低的阻力压降，从而满足纳米纤维复合纱窗高效低阻的性能要求；
（3）本发明提供的一种纳米纤维素晶体抗菌层，能够有效截留空气中的固体悬浮物、胶体、细菌等，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率达99%，从而达到空气的目的。
附图说明
图1 为实施例2制备的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱材料场发射扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将尼龙6 纳米纤维素沉积在尼龙6窗纱上，采用甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理，将纳米纤维表面部分暴露出来，释放速度为0 .5L-10L/min；
（2）将制备的直径在3-10nm 的麦秆纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率15kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚丙烯无纺布与麦秆纤维素抗菌层、尼龙6纱窗熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，纳米纤维层涂覆纤维素纳米晶抗菌材料，接收基材为尼龙6窗纱，克重为100g/m2，网眼目数为120目；覆盖保护层为聚丙烯无纺布，克重为100g/m2，孔径尺寸为300μm；纳米纤维层成分为尼龙6，纤维直径为80nm、克重为6g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为99.99％，阻力压降30Pa，透光率为70％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.5%。
实施例2
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚氨酯沉积在碳纤维窗纱上，采用甲酸、四氢呋喃混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维复合纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率20kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将纤维素无纺布与苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维复合抗菌层、碳纤维纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
图1为本实施例制备的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱材料场发射扫描电镜图。得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为碳纤维窗纱，克重为140g/m2，网眼目数为85目；覆盖保护层为纤维素无纺布，克重为70g/m2，孔径尺寸为250μm；纳米纤维层成分为聚氨酯，纤维直径为100nm、克重为5g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为94.2％，阻力压降14Pa，透光率为94％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9%。
实施例3
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚偏氟乙烯沉积在不锈钢窗纱上，采用N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的黄麻纤维、青麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维复合纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率20kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚四氟乙烯无纺布与苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维复合抗菌层、不锈钢纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为不锈钢窗纱，克重为170g/m2，网眼目数为48目；覆盖保护层为聚四氟乙烯无纺布，克重为60g/m2，孔径尺寸为150μm；纳米纤维层成分为聚偏氟乙烯，纤维直径为200nm、克重为8g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为98.8％，阻力压降21Pa，透光率为82％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.3%。
实施例4
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚对苯二甲酸丁二酯沉积在聚酯窗纱上，采用甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的罗布麻纤维和槿麻纤维复合纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率20kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚丙烯无纺布与苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维复合抗菌层、聚酯纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为聚酯窗纱，克重为40g/m2，网眼目数为160目；覆盖保护层为聚丙烯无纺布，克重为120g/m2，孔径尺寸为350μm；纳米纤维层成分为聚对苯二甲酸丁二酯，纤维直径为300nm、克重为15g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为96.4％，阻力压降15Pa，透光率为92％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99%。
实施例5
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚对苯二甲酸丁二酯沉积在银网窗纱上，采用甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的稻草秸秆纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率15kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚丙烯/聚乙烯无纺布与稻草秸秆纤维抗菌层、银网纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为银网窗纱，克重为180g/m2，网眼目数为55目；覆盖保护层为聚丙烯/聚乙烯无纺布，克重为120g/m2，孔径尺寸为350μm；纳米纤维层成分为聚对苯二甲酸丁二酯，纤维直径为400nm、克重为20g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为99.98％，阻力压降30Pa，透光率为69％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9%。
实施例6
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚对苯二甲酸丁二酯沉积在银网窗纱上，采用甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的稻草秸秆纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率15kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚丙烯/聚乙烯无纺布与稻草秸秆纤维抗菌层、银网纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为银网窗纱，克重为180g/m2，网眼目数为55目；覆盖保护层为聚丙烯/聚乙烯无纺布，克重为120g/m2，孔径尺寸为350μm；纳米纤维层成分为聚对苯二甲酸丁二酯，纤维直径为400nm、克重为20g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为99.98％，阻力压降30Pa，透光率为69％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9%。
实施例7
纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱及其制备方面，具体制备方法如下：
（1）利用静电纺丝将聚芳酯沉积在玻纤窗纱上，采用丙酮、氯仿、二甲基亚砜混合溶剂蒸汽以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理；
（2）将制备的直径在3-10nm 的棉短绒纤维素纳米晶体涂敷于处理的静电纺纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）采用工作频率18kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅1600mm的超声波复合法将聚氯乙烯无纺布与棉短绒纤维抗菌层、玻纤纱窗的熔接，即得最终具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
得到的具有纳米纤维素抗菌防雾霾复合纱窗，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，接收基材为玻纤窗纱，克重为126g/m2，网眼目数为120目；覆盖保护层为聚氯乙烯无纺布，克重为200/m2，孔径尺寸为320μm；纳米纤维层成分为聚芳酯，纤维直径为320nm、克重为30g/m2。所得具有抗菌防雾霾复合纱窗的对0.3～10μm颗粒的过滤效率为96.6％，阻力压降20Pa，透光率为86％；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.7%。

Claims (8)

1.一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于，包括纱窗基材、纳米纤维过滤层和覆盖保护层，制备工艺如下：
（1）利用静电纺丝将纳米纤维层沉积在窗纱基材上，然后利用溶剂蒸汽回收装置释放静电纺丝过程中回收的溶剂蒸汽，以一定释放速率对纳米纤维层表面进行微溶处理，将纳米纤维表面部分暴露出来，释放速度为0 .5L-10L/min；
（2）将直径在3-10nm 的纤维素纳米晶体涂敷于纳米纤维膜表面，形成一种网络结构的具有抗菌功能的纳米纤维过滤层；
（3）通过超声波复合法将覆盖保护层与纳米纤维素抗菌层、纱窗基材熔接，即得具有抗菌功能的纳米纤维复合纱窗。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述纳米纤维层为尼龙6、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚芳酯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚砜中的一种，或者是以上聚合物中任意两种或三种聚合物的混合物。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述回收溶剂为甲酸、四氢呋喃、水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，丙酮、氯仿、甲酚、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、甲乙酮中的一种，或两种及两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述窗纱基材为尼龙、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯、金属丝、碳纤维或玻纤中的一种，窗纱基材网眼目数为10～200目，克重为10～1000g/m2，厚度为0 .01～1mm。
5.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：所述覆盖保护层材质为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯/聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯、金属丝、碳纤维或玻纤中的一种，孔径为0.1～200μm，克重为5～300g/m2。
6.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述纤维素为棉短绒、木浆纤维、麦秆纤维、稻草秸秆纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、红麻纤维、青麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维、罗布麻纤维和槿麻纤维中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述超声波复合是利用超声波复合机实现多层材料的熔接，其参数为：工作频率15～20kHz，电源：AC/380V/50Hz，功率200W，熔接最大宽幅：1600mm。
8.一种纳米纤维素抗菌防雾霾窗纱，其特征在于根据权利要求1-7任一所述方法制备得到。
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