CN111729402A - 一种电活性空气过滤材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气过滤材料技术领域，特别涉及一种电活性空气过滤材料及其制备方法。其中空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层氧化材料，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层还原材料。空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：(1)、将过滤基材置于干燥箱中干燥；(2)、将步骤(1)得到的过滤基材置于真空室，在过滤基材一面溅射一层氧化材料，即得到一面含有氧化材料层的过滤基材；(3)、将步骤(2)得到的过滤基材置于真空室，在过滤基材的另一面溅射一层还原材料，即得电活性空气过滤材料。本发明制备的空气过滤材料对细菌、病毒等具有过滤作用的同时又具有很强的杀菌、杀病毒和抗菌的功能。

Description

一种电活性空气过滤材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及空气过滤材料技术领域，特别涉及一种电活性空气过滤材料及其制备方法。

背景技术

随着时代的进步，人们对环境质量的要求越来越高。但经济的快速发展加剧了环境的污染，空气中的粉尘颗粒、化学物质、有害微生物等对人类的健康产生了不良影响。因此，有效控制空气中的有害物质是有待解决的重大问题。空气过滤器和过滤材料的应用是净化空气的重要手段。普通的空气过滤材料对于细小微粒的去除不够彻底，而且过滤材料容易滋生有害微生物，存在二次污染的可能。

目前，纤维过滤材料主要是依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻挡作业来过滤空气中的微粒，由于纤维过滤材料纤维间的孔隙较大，而多数细菌、病毒微生物的大小都是微米级和亚微米级的，因此对于粒径小的粒子、细菌、病毒过滤效果并不理想。所以人们想通过电晕放电、摩擦起电、热极化、低能电子束轰击等驻极方法来制备驻极体空气过滤材料。虽然，制备的驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、节能、抗菌等优点。但是，若起电过程不再继续，经过足够长的时间之后，物体上的电荷会因中和或泄漏而逐步自行消失，所以驻极体类过滤材料电荷易衰减，导致抗菌效果大大降低。

再就是，目前现有的抗菌空气过滤材料普遍存在制备复杂、抗菌杀毒效果欠佳等问题。例如，发明专利CN103446803A，以静电纺高分子纳米纤维毡作为载体材料，通过静电喷涂的方式负载有一定浓度的纳米抗菌剂，制得了一种抗菌空气过滤毡。众所周知，银可作为抗菌剂使用。该专利是将纳米银和过滤纤维材料进行复合，来提高空气过滤材料的抗菌效果。虽然静电纺丝能生产纳米级的纤维，但存在静电纺纳米纤维的强度较低以及产量低的缺点。又如，发明专利CN106039839A，其是通过将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中原位生长的方法制得了一种抗菌防雾霾空气过滤材料。其在浸渍、喷涂等后整理方法中使用了化学溶剂，不仅在生产过程产生大量废水，而且整理过程易破坏过滤材料的本体结构，影响过滤性能，且制备工艺较为复杂。

专利CN 103381316 A，公开了一种具有杀菌抑菌作用的空气过滤网及制备方法，其包括过滤网上设有杀菌、抑菌镀膜金属，具体步骤如下：(1)、选择基体，基体选择海绵，无纺布、网纱、柔性可卷绕透气材料中的任意一种；(2)、对上述基体进行表面清洗，除污，表面粗化处理；(3)、氩气保护下真空磁控溅射镀膜；(4)、然后再在钝化溶液中浸泡，使其表面形成钝化膜，将基材清洗，烘干，再进行提高金属层的结合力真空淬火工序；(5)、将上述基材两层中间添加活性炭，制成过滤网。该专利通过在海绵、网纱等材料上利用真空溅射镀膜技术，在其表面溅射一种或多种具有杀菌抑菌作用的金属或多种金属的合金，来有效的抑制细菌、病毒、藻类和真菌。虽然其制备的空气过滤网具有一定的杀菌抑菌的作用，但是，还存在以下不足：第一，金属易在空气中发生化学反应，例如金属银，虽然银不与氧气发生反应，但是由于空气中存在少量的O₃，可将银氧化为AgO，表面变暗。同时，空气中有时会存在少量H₂S气体，易于银生产黑色AgS，表面也会变暗。所以，该专利仅依靠金属杀菌、抑菌的效果有限；第二，其仅通过物理过滤和金属杀菌、抑菌，并没有利用静电吸附，当杀菌作用的金属长时间暴露空气中时，由于金属易被空气氧化，导致杀菌、抑菌效果大大降低，所以存在抗菌杀毒效果欠佳的问题；第三，其需要先进行钝化处理，然后在两种基材中间添加活性炭，制成过滤网，制备工艺较为复杂。

佩戴利用空气过滤材料制备的口罩是阻断粉尘、细菌、病毒等有害物质呼吸进入人体的简易、经济、高效方法。但目前市场上的日用、医用空气过滤材料大多是采用无纺布或棉纱织物制成，缺少抗毒杀菌等功能，长期佩戴会使口罩上附着大量的有害物质和病菌。并且由于长期佩戴口罩，口罩内壁产生大量的水汽或有机物，不仅会导致口罩上附着的病毒、细菌进一步繁殖，危害人体健康，而且还会导致由于湿气太大造成的不适感，以及带来呼吸不畅等问题。再就是，目前的熔喷驻极体材料，当遇到呼出的水汽后，材料产生快速的电荷衰减，导致过滤效率大大降低。

专利CN105231523A，公开了一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，其包括由在防护口罩换气罩内设置摩擦电纳米发电机组成，所述摩擦电纳米发电机由上摩擦极板和下摩擦极板组成，上摩擦极板为在无纺布的一面生长了ZnO纳米阵列作为得电子的摩擦层，无纺布的另一面涂覆纳米Ag导电油墨作为输出电极，无纺布的内径为2-4cm、外径为10-14cm，厚度为1-4mm，涂覆纳米Ag导电油墨的厚度为2-6μm；下摩擦极板为在200目的铜网的一面磁控溅射金属Al作为失电子的摩擦层，铜网的另一面作为输出电极，铜网目数≥200目，尺寸为内径2-4cm、外径10-14cm，磁控溅射金属Al层的厚度为40-80μm，摩擦电纳米发电机的下摩擦极板与防护口罩换气罩的底部换气板固定。该专利主要利用物理吸附，以及静电吸附原理进行吸附过滤，其次利用摩擦/压电产生电刺激进行杀菌抑菌。其利用铜(铝)网基材，属于金属硬性基材，存在以下弊端：首先，金属基材在长期使用后，呼吸产生的水分易使其生锈，导致透气性差。其次，在雾霾实际应用环境下，空气中同时含有水分子和雾霾颗粒物，空气中的湿度高达80-90％，空气中的湿气以及呼吸产生的水汽附着在铜网基材上，影响摩擦/压电产生电刺激，从而影响杀菌、抑菌效果，其不利于在雾霾环境以及湿度较高环境下使用。第三，其由多层电极复合而成，工艺复杂，重量大，并且柔韧性、贴合性以及舒适性不佳。

所以，现在急需一种制备方法简单，绿色，抗菌、杀毒效果好的空气过滤材料。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备方法简单，对细菌、病毒等有害物质具有过滤作用的同时可抑制细菌、病毒繁殖，具有杀菌、消毒作用的电活性空气过滤材料及其制备方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在所述高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层氧化材料，在所述高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层与氧化材料在水分参与下可发生氧化还原反应的还原材料。

上述的电活性空气过滤材料，所述高分子纤维过滤基材的高分子纤维为微米或纳米尺度的天然纤维、合成纤维、玻璃纤维中的单一纤维或复合纤维，所述高分子纤维过滤基材为非织造材料或织造材料。

上述的电活性空气过滤材料，所述氧化材料包括银氧化物，所述银氧化物包括Ag₂O，AgO中的一种或两种，所述还原材料为Zn。

上述的电活性空气过滤材料，所述天然纤维包括再生纤维素纤维、纤维素纤维、海藻纤维、壳聚糖纤维、竹纤维、蚕丝纤维、玉米蛋白纤维、大豆蛋白纤维。

上述的电活性空气过滤材料，所述合成纤维包括醋酸纤维、聚己内酯纤维、聚乳酸纤维、聚酯纤维、聚己内酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、聚醚砜纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维。

一种电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将高分子纤维过滤基材置于真空干燥箱中20-150℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的高分子纤维过滤基材置于溅射设备真空室，在高分子纤维过滤基材一面溅射一层氧化材料，即得到一面含有氧化材料层的高分子纤维过滤基材；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的高分子纤维过滤基材置于溅射设备真空室，在高分子纤维过滤基材的另一面溅射一层还原材料，即得电活性空气过滤材料。

上述的电活性空气过滤材料的制备方法，所述步骤(2)中氧化材料为Ag₂O和AgO的混合物，真空度为8×10^-3-1×10^-5Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为10-80sccm，氧气与氩气的通入比例为1/1-2/1之间，溅射功率为10-120W，溅射时间为1-100min。

上述的电活性空气过滤材料的制备方法，所述步骤(3)中还原材料为Zn，真空度为8×10^-3-1×10^-4Pa，溅射气氛为氩气，氩气流量为5-100sccm，溅射功率为30-150W，溅射时间为5-100min。

上述的电活性空气过滤材料的制备方法，所述溅射的方式可为磁控溅射，或离子溅射。

本发明电活性空气过滤材料及其制备方法的有益效果是：

首先，本发明中的空气过滤材料是通过在纤维过滤基材两侧表面分别生成氧化材料和还原材料，形成微电池，接触到水后会引发氧化还原反应，产生自主持续性放电，一方面起到静电吸附过滤微粒、细菌、病毒的作用，一方面通过电刺激以及电刺激产生Ag⁺、Zn²⁺以及活性氧物质对细菌、病毒起到抑制细菌、病毒繁殖的目的。即本发明制备的空气过滤材料对细菌、病毒等具有过滤作用的同时又具有很强的杀菌、杀病毒和抗菌的功能。

具体的在纤维过滤基材的表面分别溅射Ag₂O和Zn涂层，作为一种空气过滤材料。这种空气过滤材料用作口罩过滤材料时，呼吸产生的水分参与Ag/Zn电极的放电反应，不仅可以降低长期佩戴过程中湿气太大造成的不适感，以及呼吸不畅等问题，而且重要的是可以提高其在高湿环境下的过滤效果。同时，呼吸产生的水分激活Ag/Zn电极的放电反应，具有以下多重作用：(1)产生的电场和微电流会刺激各类细菌、病毒，使其蛋白质、核酸等变异，损伤细菌的细胞壁及细胞膜，抑制细菌、病毒繁殖；(2)电刺激产生活性氧物质，具有杀菌作用；(3)电刺激可以调控Ag/Zn电极释放Ag⁺、Zn²⁺杀死细菌、病毒的作用；(4)Ag/Zn电极附近pH产生变化，具有一定的杀菌消毒作用，多种杀菌消毒作用协同发挥作用，具有很强的杀菌、杀病毒和抗菌的功能。

其次，本发明中空气过滤材料的制备方法与湿法改性相比，有如下优点：(1)本发明方法在制备过程中不使用化学试剂、有机溶剂等，生产过程绿色、环保、简单、高效、成本低。(2)本发明方法制备的空气过滤材料的电极纳米涂层均匀性好，无杂质，更有利于产生均匀的电刺激。对细菌、病毒等具有过滤作用的同时，又具有很强的杀菌、杀病毒和抗菌功能。(3)电极涂层附着于纤维表面，保持基材原有的柔软性，蓬松度以及透气性，不会影响纤维过滤基材的本体结构、性能以及过滤阻力，解决了现有的整理过程易破坏过滤材料的本体结构，影响柔软性、贴合性、舒适性以及过滤性能的技术问题。(4)本发明方法制备过程简单、温和，易于工业化推广，具有广阔的社会效益和经济价值，值得广泛推广应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1

一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层Ag₂O，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层Zn。其中，高分子纤维过滤基材中的高分子纤维的直径为微米级的合成纤维，具体为聚丙烯熔喷非织造材料。

一种电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将聚丙烯熔喷非织造材料置于真空干燥箱中100℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的聚丙烯熔喷非织造材料置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在聚丙烯熔喷非织造材料的一面溅射一层Ag₂O，真空度为8×10^-3Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为50sccm，氧气与氩气的通入比例为1/1，溅射功率为80W，溅射时间为10min，即得到一面含有氧化材料层的聚丙烯熔喷非织造材料；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的聚丙烯熔喷非织造材料置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在聚丙烯熔喷非织造材料的另一面溅射一层Zn，真空度为8×10^-3Pa，溅射气氛为氩气，氩气流量为30sccm，溅射功率为50W，溅射时间为10min，即得电活性空气过滤材料。

实施例2

一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层Ag₂O和AgO的混合物，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层Zn。其中，高分子纤维过滤基材中的高分子纤维的直径为纳米级的天然纤维，具体为由再生纤维素纤维制备的织造材料。

一种电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将再生纤维素纤维织造材料置于真空干燥箱中80℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的再生纤维素纤维织造材料置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在再生纤维素纤维织造材料的一面溅射一层Ag₂O和AgO的混合物，真空度为7×10^-3Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为30sccm，氧气与氩气的通入比例为1/1，溅射功率为50W，溅射时间为15min，即得到一面含有氧化材料层的再生纤维素纤维织造材料；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的高分子纤维过滤基材置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在再生纤维素纤维织造材料的另一面溅射一层Zn，真空度为1×10^-3，溅射气氛为氩气，氩气流量为30sccm，溅射功率为50W，溅射时间为15min，即得电活性空气过滤材料。

实施例3

一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层Ag₂O和AgO的混合物，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层Zn。其中，高分子纤维过滤基材中的高分子纤维为玻璃纤维，具体为由玻璃纤维制备的非织造材料。

一种电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将玻璃纤维非织造材料置于真空干燥箱中120℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的非织造材料置于离子溅射设备真空室，使用直流靶位，在非织造材料的一面溅射一层Ag₂O和AgO的混合物，真空度为1×10^-3Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为80sccm，氧气与氩气的通入比例为2/1，溅射功率为100W，溅射时间为80min，即得到一面含有氧化材料层的玻璃纤维非织造材料；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的玻璃纤维非织造材料置于离子溅射设备真空室，使用直流靶位，在玻璃纤维非织造材料的另一面溅射一层Zn，真空度为1×10^-3Pa，溅射气氛为氩气，氩气流量为80sccm，溅射功率为120W，溅射时间为80min，即得电活性空气过滤材料。

实施例4

一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，在高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层Ag₂O和AgO的混合物，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层Zn。其中，高分子纤维过滤基材中的高分子纤维的直径为纳米级的聚乳酸纤维非织造材料。

一种电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将聚乳酸纤维非织造材料置于真空干燥箱中100℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的聚乳酸纤维非织造材料置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在聚乳酸纤维非织造材料的一面溅射一层Ag₂O和AgO的混合物，真空度为8×10^{- 3}Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为50sccm，氧气与氩气的通入比例为1/1，溅射功率为80W，溅射时间为10min，即得到一面含有氧化材料层的聚乳酸纤维非织造材料；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的聚乳酸纤维非织造材料置于磁控溅射设备真空室，使用直流靶位，在聚乳酸纤维非织造材料的另一面溅射一层Zn，真空度为8×10^-3Pa，溅射气氛为氩气，氩气流量为30sccm，溅射功率为50W，溅射时间为10min，即得电活性空气过滤材料。

本发明的原理是在过滤基材两侧表面分别构筑氧化银和Zn金属电极，呼吸释放水分或是环境中的水分，尤其是高湿环境下，只要有水分就可以引发如下一系列的氧化还原反应，产生持续性放电产生静电吸附以及协同抗菌、杀毒作用。

Ag₂O+H₂O+2e^-→2Ag+2OH^-

2AgO+H₂O+2e^-→Ag₂+2OH^-

Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^-

具体的，在纤维过滤基材的表面分别溅射Ag₂O和Zn涂层，作为一种空气过滤材料。本发明中的纤维过滤基材可采用各种非导电柔性基材，使用安全、可靠。当采用这种空气过滤材料用作口罩过滤材料时，呼吸产生的水分参与Ag/Zn电极的放电反应。具体是呼吸产生的或高湿环境中水汽激活Ag/Zn电极的放电反应，联通两个金属电极，产生电刺激。通过消耗口罩上的水，可以降低长期佩戴过程中湿气太大造成的不适感，以及呼吸不畅等问题。同时，呼吸产生的水分激活Ag/Zn电极的放电反应，具有以下多重作用：(1)静电吸附作用；(2)产生的电场和微电流会刺激各类细菌、病毒，使其蛋白质、核酸等变异，损伤细菌的细胞壁及细胞膜，抑制细菌、病毒繁殖；(3)电刺激产生活性氧物质，具有杀菌作用；(4)电刺激可以调控Ag/Zn电极释放Ag⁺、Zn²⁺杀死细菌、病毒的作用；(5)Ag/Zn电极附近pH产生变化，具有一定的杀菌消毒作用，多种杀菌消毒作用协同发挥作用，具有很强的杀菌、杀病毒和抗菌的功能。

本发明适用于雾霾及湿气大的环境下，且抑菌、杀毒效果更佳，本发明制备的空气过滤材料可解决驻极体类过滤材料电荷易衰减的技术问题，可作为应急物资长期储备。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电活性空气过滤材料，包括高分子纤维过滤基材，其特征在于：在所述高分子纤维过滤基材的一表面上溅射有一层氧化材料，在所述高分子纤维过滤基材的另一表面溅射有一层与氧化材料在水分参与下可发生氧化还原反应的还原材料。

2.根据权利要求1所述的电活性空气过滤材料，其特征是：所述高分子纤维过滤基材的高分子纤维为微米或纳米尺度的天然纤维、合成纤维、玻璃纤维中的单一纤维或复合纤维，所述高分子纤维过滤基材为非织造材料或织造材料。

3.根据权利要求1所述的电活性空气过滤材料，其特征是：所述氧化材料包括银氧化物，所述银氧化物包括Ag₂O，AgO中的一种或两种，所述还原材料为Zn。

4.根据权利要求2所述的电活性空气过滤材料，其特征是：所述天然纤维包括再生纤维素纤维、纤维素纤维、海藻纤维、壳聚糖纤维、竹纤维、蚕丝纤维、玉米蛋白纤维、大豆蛋白纤维。

5.根据权利要求2所述的电活性空气过滤材料，其特征是：所述合成纤维包括醋酸纤维、聚己内酯纤维、聚乳酸纤维、聚酯纤维、聚己内酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、聚醚砜纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维。

6.一种如权利要求1-3任一项所述的电活性空气过滤材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将高分子纤维过滤基材置于真空干燥箱中20-150℃下干燥，使其含水量低于0.01％；

(2)、将步骤(1)得到的高分子纤维过滤基材置于溅射设备真空室，在高分子纤维过滤基材一面溅射一层氧化材料，即得到一面含有氧化材料层的高分子纤维过滤基材；

(3)、将步骤(2)得到含氧化材料层的高分子纤维过滤基材置于溅射设备真空室，在高分子纤维过滤基材的另一面溅射一层还原材料，即得电活性空气过滤材料。

7.根据权利要求6所述的电活性空气过滤材料制备方法，其特征是：所述步骤(2)中氧化材料为Ag₂O和AgO的混合物，真空度为8×10^-3-1×10^-5Pa，溅射气氛为氧气和氩气的混合气体，氩气流量为10-80sccm，氧气与氩气的通入比例为1/1-2/1之间，溅射功率为10-120W，溅射时间为1-100min。

8.根据权利要求6所述的电活性空气过滤材料制备方法，其特征是：所述步骤(3)中还原材料为Zn，真空度为8×10^-3-1×10^-4Pa，溅射气氛为氩气，氩气流量为5-100sccm，溅射功率为30-150W，溅射时间为5-100min。

9.根据权利要求6所述的电活性空气过滤材料制备方法，其特征是：所述溅射的方式可为磁控溅射，或离子溅射。