CN112280091B

CN112280091B - 一种生物质基抗病毒过滤材料及其合成方法

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Publication number: CN112280091B
Application number: CN202011178234.7A
Authority: CN
Inventors: 刘大刚; 李敏钰
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: CN112280091A

Abstract

本发明涉及一种生物质基抗病毒过滤材料及其合成方法，其主要成分组成为木粉纳米纤丝，还含有部分硅酸盐成型剂，所述的硅酸盐成型剂占木粉纳米纤丝含量的5％；其中，木粉纳米纤丝的长度为99.01‑139.11μm，直径为2.67‑4.27nm；该生物质基抗病毒过滤材料为呈扁形圆柱形的泡沫材料，所述的泡沫材料具有多孔致密结构，用于抗病毒过滤。本发明通过将废弃物回收，进行重组用于过滤病毒领域，不仅具有较好的效果，而且成本低、材料可生物降解、环境友好，为解决空气污染、病毒传播提供了一个有效的方法。

Description

一种生物质基抗病毒过滤材料及其合成方法

技术领域

本发明涉及空气过滤领域，具体涉及一种生物质基抗病毒过滤材料及其合成方法。

背景技术

传统的口罩材料采用的原理为“过滤拦截”，换句话说，随着呼吸被材料阻拦的含病毒气溶胶将被一直困在材料中，直到口罩使用寿命结束被抛弃为止(现一般为4-24h不等)。病毒在气溶胶及口罩等粗糙材料中的活性能保持数小时，随着口罩的使用，有害气溶胶在口罩中堆积，同时，传统口罩的主材料为聚丙烯熔喷布，是传统人工合成高聚物的一种，若处置不当，伴随全国可观的日使用量，首先将造成严重的“白色污染”，所含的未失活的病原体极有可能使废弃口罩成为新的传染源。

因此提出在过滤的同时，使用纳米银离子等物质对过滤材料所负载的气溶胶中的病原体进行消杀。并且对材料提出创新，使用纳米化的木粉纤丝配合硅酸盐等成型剂，在冷冻干燥技术干燥成型技术下制备生物质基纳米木粉空气过滤膜材料。可作为口罩材料或空气过滤器等空气净化设备的滤网材料。

近年来，生物质基木材废弃物大量产出，但是其被再利用的部分只占小比例，在我国这样的农业大国，每年农林生物质废弃物(包括秸秆和林业剩余物)占废弃物总量的69％；而在欧洲，欧盟成员国中废物生物质的可获得量每年超过4.45亿吨(干基)，农林业产生的生物质废弃物占总量的86％。

将废弃生物质运用起来可以说是十分环境友好的，因此，我们将生物质废弃物木粉进行纳米化后，采用取向冷冻技术对其进行重塑，用于病毒气溶胶的过滤。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物质基抗病毒过滤材料及其合成方法，将废弃物回收，进行重组用于过滤病毒领域，不仅具有较好的效果，而且成本低、材料可生物降解、环境友好，有一定的经济效益，为当今社会口罩物资缺乏提供一种可行性方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种生物质基抗病毒过滤材料，其主要成分组成为木粉纳米纤丝，还含有部分硅酸盐成型剂，所述的硅酸盐成型剂占木粉纳米纤丝含量的5％；其中，木粉纳米纤丝的长度为 99.01-139.11μm，直径为2.67-4.27nm；该生物质基抗病毒过滤材料为呈扁形圆柱形的泡沫材料，所述的泡沫材料具有多孔致密结构，用于抗病毒过滤。

生物质基抗病毒过滤材料的合成包括以下步骤：

1)木粉纳米纤丝的制备：将木粉用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机和高压均质机纳米化，得到分散均一的木粉纳米纤丝悬浮液；

2)成型剂的制备：将硅酸盐矿物质经高压均质机纳米化后得到悬浮液，测得其固含量；

3)将步骤2)中的悬浮液复合入步骤1)中的木粉纳米纤丝悬浮液中，其中硅酸盐矿物质含量占木粉纳米纤丝含量的5％，同时将一定量的纳米银溶液或硫酸铜溶液掺入木粉纳米纤丝悬浮液中，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/木粉纳米纤丝悬浮液；

4)冷冻铸造：将复合好的盐/木粉纳米纤丝悬浮液装入金属铝盒中冷冻，得到冰晶致密生长的样品；

5)将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，得到生物质基抗病毒泡沫过滤器。

步骤1)中，木粉用热水进行多次浸泡洗涤，是指采用100℃的热水，浸泡5～8次，共5～8小时。

步骤2)中，所述的硅酸盐矿物质采用蒙脱土。

步骤3)中，所述的纳米银溶液或硫酸铜溶液的加入量为木粉纳米纤丝悬浮液质量的 0.5％-2％。

步骤3)中，冷冻条件为，于-40℃冷冻柜冷冻24h。

进一步的，对生物质基抗病毒泡沫过滤器进行气溶胶过滤测试：用气溶胶发生器发生2 wt％的氯化钠溶液得到0.3μm的氯化钠气溶胶，将生物质基抗病毒泡沫过滤器置于密封的试验模具中，通过泵提供一个稳定的流量，将氯化钠气溶胶抽过生物质基抗病毒泡沫过滤器，同时检测器记录过滤前后氯化钠气溶胶的浓度，压力计记录过滤时两侧的压降，每次测试重复3次试验；通过过滤前后氯化钠气溶胶浓度计算出过滤效率％，根据算出的效率及其对应压降得出该生物质基抗病毒泡沫过滤器的质量因子Q_F以评价其整体性能。

进一步的，对生物质基抗病毒泡沫过滤器进行病毒气溶胶灭活评价：病毒气溶胶从生物质基抗病毒泡沫过滤器上部进入，直至下部由检测器接收，采用1×10¹¹pfu/ml 病毒气溶胶，启动整个装置后，记录左右侧病毒气溶胶浓度C_左和C_右,计算病毒气溶胶的渗透率％及效率％。

进一步的，为了干燥病毒气溶胶，病毒气溶胶在交付到测试室之前用 1×10⁵pfu/L的干燥过滤的室内空气稀释。

进一步地，对生物质基抗病毒泡沫过滤器进行循环测试，以测试其使用的耐久性。

本发明利用金属容器壁作为均相成核剂，且金属具有较好的导热性，使样品结冰过程中能与外界进行强烈的热交换，在成型剂作用下形成致密多孔的结构，抗病毒添加剂纳米银均匀分散在过滤器中，尤其是孔结构附近。当病毒气溶胶经过时，首先经纳米纤丝的静电吸附、拦截、惯性碰撞、扩散等机制截留大部分病毒气溶胶，随后当剩余尺寸极小的病毒气溶胶试图穿过孔结构时，被包覆在孔结构周围的抗病毒药剂灭活从而达到较高的过滤效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所设计的生物质基抗病毒泡沫过滤材料，为解决空气污染、病毒传播提供了一个有效的方法。本发明利用天然生物质作为原料，复合具有抗菌性的硅酸盐矿物质，制备得到的材料可生物降解，具有一定的强度且为规整的致密多孔结构；另一方面，这种结构对于病毒气溶胶的过滤有一定优越性，过滤效率较高，成本较低，是一种具有较好前景的功能性材料。

附图说明

图1为实施例3气溶胶过滤测试中的过滤装置图。

图2为实施例3气溶胶过滤测试和实施例4病毒气溶胶灭活测试中的过滤效率图。

图3为实施例5溶胶过滤测试中过滤器的循环使用性能图。

图4为实施例5循环及耐久性能测试中将过滤泡沫做成防毒面具首层过滤层实物图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

1)木粉纳米纤丝的制备：将木粉用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机打磨，再经高压均质机纳米化，得到分散均一的木粉纳米纤丝悬浮液，将其进行浓缩，使其固含量在2-3wt％。

2)成型剂的制备：将硅酸盐矿物质蒙脱土经高压均质机纳米化后得到悬浮液，测得其固含量，进行浓缩至固定含量。

3)将步骤2)中的硅酸盐复合入步骤1)中的纤丝悬浮液，其中矿物质盐含量占木粉含量的5％，同时将一定含量的纳米银溶液掺入木粉纳米纤丝悬浮液中，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/木粉纳米纤丝悬浮液。

实施例2

1)冷冻铸造：将复合好的悬浮液装入金属铝盒中，利用其均相成核作用以及快速热交换作用，于-40℃冷冻柜冷冻24h得到冰晶致密生长的样品。

2)将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，取出后在烘箱中干燥1h密封以防样品受潮，得到生物质基抗病毒泡沫过滤器。

实施例3

1)用气溶胶发生器发生2wt％的氯化钠溶液得到0.3μm的氯化钠气溶胶。

2)气溶胶过滤测试：将生物质基抗病毒泡沫过滤器置于密封的试验模具中，通过泵提供一个稳定的流量，将气溶胶抽过生物质基抗病毒泡沫过滤器(注意要保持每次测试所用气溶胶浓度相似)，同时检测器记录过滤前后气溶胶浓度，压力计记录过滤时膜两侧的压降，每次测试重复3次试验且取平均数值，并对生物质基抗病毒泡沫过滤器进行一个30次的循环性能测试。

3)通过过滤前后气溶胶浓度计算出过滤效率(％)，根据算出的效率及其对应压降得出该生物质基抗病毒泡沫过滤器的质量因子(Q_F)以评价其整体性能。

实施例4

1)选用MS2病毒，得到1×10¹¹pfu/ml病毒气溶胶，为了使其干燥，需在交付到测试室之前用干燥过滤的室内空气稀释(1×10⁵pfu/L)。

2)启动整个装置后，记录左右侧病毒气溶胶浓度C_左和C_右,计算病毒气溶胶的渗透率(％)及效率(％)。

实施例5

对泡沫过滤器进行一个循环及耐久性能测试，以评估其长期使用的一个能力，并用无纺布包裹，用于防毒面具第一层防护。

性能测试结果：

实施例3中的实验装置示意图如图1所示，由气溶胶发生器发生气溶胶，用泵将气溶胶抽过泡沫过滤器，以检测器监测气溶胶浓度计算过滤效率。

实施例3和实施例4中的过滤效率如图2所示，成型后过滤泡沫对0.3μm氯化钠的气溶胶的过滤效率如图可达95％左右，且具有250Pa左右的压降，符合普通口罩的压降；添加不同含量的抗病毒剂后，显示的过滤效率也不同，纳米银含量越多，过滤效率越高，当纳米银含量占木粉含量3％时，其抗菌效率已达到99.02％。

图4为所制的生物质基抗病毒过滤泡沫制成口罩后的实物图，过滤泡沫置于两层无纺布之间作为防毒面具第一层进行气溶胶及气溶胶病毒的过滤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种生物质基抗病毒过滤材料，其特征在于：其主要成分组成为木粉纳米纤丝，还含有部分硅酸盐成型剂，所述的硅酸盐成型剂占木粉纳米纤丝含量的5%；其中，木粉纳米纤丝的长度为99.01-139.11μm，直径为2.67-4.27 nm；该生物质基抗病毒过滤材料为呈扁形圆柱形的泡沫材料，所述的泡沫材料具有多孔致密结构，用于抗病毒过滤；其合成包括以下步骤：

木粉纳米纤丝的制备：将木粉用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机和高压均质机纳米化，得到分散均一的木粉纳米纤丝悬浮液；

成型剂的制备：将硅酸盐矿物质经高压均质机纳米化后得到悬浮液，测得其固含量；

将步骤2）中的悬浮液复合入步骤1)中的木粉纳米纤丝悬浮液中，其中硅酸盐矿物质含量占木粉纳米纤丝含量的5%，同时将纳米银溶液或硫酸铜溶液掺入木粉纳米纤丝悬浮液中，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/木粉纳米纤丝悬浮液；

冷冻铸造：将复合好的盐/木粉纳米纤丝悬浮液装入金属铝盒中冷冻，得到冰晶致密生长的样品；

将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，得到生物质基抗病毒泡沫过滤器。

2.根据权利要求1所述的生物质基抗病毒过滤材料的合成方法，其特征在于：步骤1）中，木粉用热水进行多次浸泡洗涤，是指采用100℃的热水，浸泡5~8次，共5~8小时。

3.根据权利要求1所述的生物质基抗病毒过滤材料的合成方法，其特征在于：步骤2）中，所述的硅酸盐矿物质采用蒙脱土。

4.根据权利要求1所述的生物质基抗病毒过滤材料的合成方法，其特征在于：步骤3）中，所述的纳米银溶液或硫酸铜溶液的加入量为木粉纳米纤丝悬浮液质量的0.5%-2%。

5.根据权利要求1所述的生物质基抗病毒过滤材料的合成方法，其特征在于：步骤3）中，冷冻条件为，于-40℃冷冻柜冷冻24h。