CN109701504A - 一种石墨烯抑菌口罩过滤材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯抑菌口罩过滤材料及其制备方法和应用，该方法采用双螺挤出机配料混合生产母粒法制得抗菌初级母料，并结合熔喷工艺有效削弱了石墨烯纳米片的团聚现象，石墨烯通过片层的叠加或搭接形成的一种具有一定形态的宏观结构，由于石墨烯在组装成宏观体纤维后不仅增强了材料的结构强度，还在石墨烯片层结构间起到了柔性支撑体的作用，减少了石墨烯片层间的聚集，更好地发挥了石墨烯的力学性能、高热导率、高速的电子迁移率及良好的吸附能力，所制备的材料具有十分优异的抑菌效果，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于过滤口罩技术领域，具体涉及一种石墨烯抑菌口罩过滤材料及其制备方法和应用。
背景技术
工业革命之后，工业、人口和城市的高速发展业已对空气、水和土壤产生了日益严重的污染。工业生产与日常生活中形成的各种污染物造成了生态环境恶化和生活质量下降等问题。这些污染物包括有毒气体及颗粒物，重金属、有机物和生物有害物质。针对这些污染物质，成功开发出了多种物理、化学和生物技术以应对。其中，吸附法凭借着简单、易操作和高效性等优势，广泛用于污染物的控制。而且，吸附法不会在处理过程中生成有害物质，有效避免了二次污染。
对于吸附法而言，吸附剂的选择最为关键，通常需要具备高比表面积、大孔容以及相匹配的官能基团。目前常用的吸附剂包括活性炭、交联粘土、沸石、中孔氧化物以及金属有机杂化多孔材料等，可针对性的有效去除空气、水和土壤中的有害污染物。其中，炭基吸附材料(活性炭、碳纳米管和富勒烯)展现出优异的吸附能力和热稳定性。这些吸附材料通常都以粉体为主，收集的过程比较复杂，因此人们将注意力投向了石墨烯这种新型材料。
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料，其厚度仅为0.335nm。与传统的材料相比，具有较强的离子交换性能和吸附性能。近几年来，国内外逐渐将石墨烯用作吸附材料，石墨烯材料在替代传统的吸附剂方面展现了良好的应用前景，在卫生防护和环保领域具有非常巨大的潜在市场价值。常见的石墨烯是以微米级片层结构的石墨烯粉体形式存在的。由于石墨烯片层间容易发生聚集，在实际应用中难以操控，如何使其能和聚合物有机结合，发挥其极强的吸附功能和抑杀病菌功能是现阶段实现石墨烯抑菌材料急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种石墨烯口罩抑菌材料及其制备方法，该石墨烯口罩抑菌材料通过对石墨烯纳米片进行改性处理，消除其层间易团聚的现象，使其均匀分散到PP高分子聚合物中，制备出的口罩过滤材料稳定性好，吸附性能优异，具有十分广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取一定量的石墨烯纳米片、分散剂、pp树脂料，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取一定量步骤(1)制备的抗菌初母粒以及聚丙烯树脂料，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
优选的，步骤(1)中石墨烯纳米片、分散剂、pp料的质量比为：0.1～1：1～5：99.989～94。
优选的，步骤(1)中挤出的温度为：200℃～250℃。
优选的，步骤(2)中抗菌初母粒与聚丙烯树脂料的质量比为：0.5～20：99～80。
优选的，步骤(2)中熔喷纺丝的温度为210℃～280℃，接收距离为：10～25cm。
另外，本发明还要求保护所述制备方法制备得到的石墨烯口罩抑菌材料以及该石墨烯口罩抑菌材料作为口罩滤芯的应用。
其中，所述口罩滤芯包括透气载体和透气层，所述石墨烯口罩抑菌材料位于透气层和透气载体之间，所述石墨烯口罩抑菌材料的厚度为1nm-300nm。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
(1)本发明创造性的以PP聚丙烯对石墨烯进行改性处理，并结合熔喷工艺有效削弱了石墨烯纳米片的团聚现象，石墨烯通过片层的叠加或搭接形成的一种具有一定形态的宏观结构，并且有相当部分的石墨烯纳米片锋利边角突出聚合物纤维表面，并聚集大量功能基团；由于石墨烯在组装成宏观体纤维后不仅增强了材料的结构强度，还在石墨烯片层结构间起到了柔性支撑体的作用，减少了石墨烯片层间的聚集，更好地发挥了石墨烯的力学性能、高热导率、高速的电子迁移率及良好的吸附能力；
(2)由本发明石墨烯口罩抑菌材料制备的的口罩，孔径比可吸入颗粒物大，但是内部结构就像迷宫，颗粒物即使通过了第一层，也会在其中“迷路”，难以通过口罩吸入人体，同时作为“迷宫”壁的功能化石墨烯材料表面上有很多官能团与缺陷等，会将这些吸入颗粒物牢牢吸附住。石墨烯及其衍生物会生成活性氧簇从而诱发氧化应激反应，或者石墨烯通过氧化细胞结构或成分从而破坏微生物活性。氧化石墨烯纳米片可以通过物理方式杀死细菌。由于石墨烯是纳米级的，而细菌是微米级，前者比后者小1000倍，利用产品纤维表面凸出的石墨烯纳米片其锋利的片边缘对细菌造成物理损伤，破坏细胞膜的完整性，最终会导致细胞质的流出而死亡；纳米级的石墨烯还可以像布一般将细菌严密地包裹起来，使细菌吸收不到营养，活活饿死。石墨烯口罩过滤材料兼具杀菌抑菌、长效吸附和呼吸顺畅特点。
附图说明
图1为本发明所制备抑菌材料的电镜图；
图2为本发明所制备抑菌材料的电镜放大图。
具体实施方式
实施例1
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取石墨烯纳米片0.5g、分散剂3g、pp树脂料95g，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度230℃、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取步骤(1)制备的抗菌初母粒10g以及聚丙烯树脂料90g，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔喷纺丝的温度为250℃，接收距离为：18cm；熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
实施例2
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取石墨烯纳米片1g、分散剂3g、pp树脂料96g，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度240℃、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取步骤(1)制备的抗菌初母粒12g以及聚丙烯树脂料88g，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔喷纺丝的温度为250℃，接收距离为：18cm；熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
实施例3
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取石墨烯纳米片0.8g、分散剂2g、pp树脂料97g，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度250℃、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取步骤(1)制备的抗菌初母粒15g以及聚丙烯树脂料85g，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔喷纺丝的温度为250℃，接收距离为：18cm；熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
实施例4
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取石墨烯纳米片1g、分散剂5g、pp树脂料94g，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度230℃、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取步骤(1)制备的抗菌初母粒9g以及聚丙烯树脂料90g，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔喷纺丝的温度为250℃，接收距离为：18cm；熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
实施例5
一种石墨烯口罩抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取石墨烯纳米片0.7g、分散剂3g、pp树脂料95.5g，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度230℃、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取步骤(1)制备的抗菌初母粒16g以及聚丙烯树脂料84g，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔喷纺丝的温度为250℃，接收距离为：18cm；熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
对实施例1所制备的石墨烯口罩抑菌材料进行抗菌性能测定，其结果如下表：
Claims (8)
1.一种石墨烯抑菌口罩过滤材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)抗菌初母粒的制备：分别称取一定量的石墨烯纳米片、分散剂、pp树脂料，并将三种原料进行混合搅拌均匀，之后将混合料加入到双螺杆挤出机中，并设定挤出机各区间温度、启动挤出机挤出丝条，然后冷却、造粒、干燥即制得所述抗菌初母粒；
(2)熔喷工艺处理：取一定量步骤(1)制备的抗菌初母粒以及聚丙烯树脂料，将两种物料混合均匀后送入熔喷设备进行熔喷纺丝，熔体经螺杆到纺丝组件再到喷丝板喷出，经高温高速气流牵引后制成熔喷超细纤维；
(3)驻极处理：将步骤(2)所制备的熔喷超细纤维上卷、静电驻极、分切、收卷即得所述石墨烯口罩抑菌材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯抑菌口罩过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中石墨烯纳米片、分散剂、pp料的质量比为：0.1～1：1～5：94～99.989。
3.根据权利要求1所述的石墨烯抑菌口罩过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中挤出的温度为：200℃～250℃。
4.根据权利要求1所述的石墨烯抑菌口罩过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中抗菌初母粒与聚丙烯树脂料的质量比为：0.5～20：99～80。
5.根据权利要求1所述的石墨烯抑菌口罩过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中熔喷纺丝的温度为210℃～280℃，接收距离为：10～25cm。
6.根据权利要求1-5任一项所述制备方法制备得到的石墨烯抑菌口罩过滤材料。
7.一种权利要求6所述石墨烯抑菌口罩过滤材料作为口罩滤芯的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述口罩滤芯包括透气载体和透气层，所述石墨烯口罩抑菌材料位于透气层和透气载体之间，所述石墨烯口罩抑菌材料的厚度为1nm-300nm。
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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 | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190503 |
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