CN115198442B - 一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米二氧化硅加入溶剂，然后添加有机硅季铵盐，反应得到疏水化纳米二氧化硅S@SiO2；(2)以DMF为溶剂，PVDF为单一溶质，或PVDF和TTAC的组合为溶质，或PVDF和S@SiO2的组合为溶质，制备多组分纺丝液；(3)以金属网为接收基底，使用静电纺丝技术，以纺丝液PVDF‑TTAC、PVDF、PVDF‑S@SiO2的顺序依次纺丝，制备得到具有定向水分传输的高效抗菌纳米膜。本发明所制得纳米膜可实现高效捕获PM0.3的同时隔离和灭活外部致病性气溶胶，同时通过梯度浸润性的构造同步运输内部汗液，保持人体舒适的水分平衡。
Description
技术领域
本发明属于空气过滤技术领域，具体涉及一种仿真植物叶脉结构的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法及应用。
背景技术
由致病性颗粒物(PM)引起的传染病对全球公共卫生安全造成了严重威胁。这些致病细菌、病毒会随患者呼吸产生的唾液在空气中传播，且将在2s内从初始不到21微米的液滴快速蒸发为小于5微米的微粒，在被健康人群吸入后会迅速传播。特别是在密闭的公共环境中，个体被感染的概率将急剧上升。因此，纤维过滤材料，因对致病性气溶胶和空气中PM可起到最有效和直接的阻断作用。
现大多数传统纤维过滤材料，为单一功能的微细颗粒物拦截。而附着在过滤材料上的细菌及病毒，具有持久的致病活性，存在进一步交叉感染风险。新兴的抗菌纤维过滤材料通过添加抗菌类物质如CuO(中国专利：一种制备氧化铜抗菌纤维的方法，公开号CN105401245A)、 Ag基金属有机框架(中国专利：一种基于静电纺丝的抗菌纤维膜的制备方法，公开号 CN112169007A)、TiO2(中国专利：一种抗菌吸附纤维膜的制备方法及其产品和应用，公开号 CN112609330A)等，可实现对病菌的有效灭活。但这些抗菌过滤材料通常需要与目标细菌接触2-20小时的时间才能达到明显的细菌抑制率，在实际上应用时不能有效终止致病性气溶胶的持续传播。Byun等人制备了以茶树油为抗菌涂层的纤维过滤材料，在短时间内仅能灭活 40-55％的黄体细胞，48h后才可实现99.99％的抗菌效率(Appl.Sci.2020,10,9120)。此外，由于部分抗菌过滤材料为亲水性材料，其附着的致病性气溶胶可以通过浸润作用从外部渗透到内部，增加了致病物质与人体的接触概率。另一方面，人体呼吸过程中产生的水分在很大程度上会堵塞纤维膜的孔隙，进而引起呼吸阻力的增大以及佩戴舒适性的降低。因此开发出一种高效低阻、有效灭活致病气溶胶且具有水分传输性能的新型空气过滤材料至关重要。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法，该方法所制得纳米膜具有低阻、有效灭活致病气溶胶以及定向水分传输等性能；同时，本发明还提供上述方法所制得纳米膜的具体应用。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米二氧化硅加入溶剂中，然后添加有机硅季铵盐，反应得到疏水化纳米二氧化硅；
(2)将聚偏氟乙烯和十四烷基三甲基氯化铵加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第一纺丝液；
将聚偏氟乙烯加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第二纺丝液；
将聚偏氟乙烯和步骤(1)制得的疏水化纳米二氧化硅加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第三纺丝液；
(3)以金属网为接收基底，使用静电纺丝技术，按第一纺丝液、第二纺丝液、第三纺丝液的使用顺序依次纺丝，制备得到具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜。
优选的，步骤(1)中：所述溶剂为环己烷；所述有机硅季铵盐为二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵。
优选的，步骤(1)中：将纳米二氧化硅加入溶剂中后，先在室温下超声20-30min，然后以400-500rpm转速磁力搅拌20-30min；添加有机硅季铵盐后，在75-80℃条件下反应 10-12h。
优选的，步骤(1)中：所述纳米二氧化硅和有机硅季铵盐的质量体积比为3-4g∶5-6mL。
优选的，步骤(2)中：第一纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％，十四烷基三甲基氯化铵的质量百分比浓度为1-2wt％；第二纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％；第三纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％，疏水化纳米二氧化硅的浓度为2-3wt％。
优选的，步骤(3)中：第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液在进行静电纺丝前，先在 80-85℃磁力水浴锅中以400-450rpm转速搅拌10-12h。
优选的，步骤(3)中：静电纺丝中，纺丝推进速度为0.2-0.8mL/h，收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV；滑台移动速度为60mm/s。
优选的，步骤(3)中：第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液所对应的纺丝时间比为 2:1:1。
优选的，步骤(3)中：所述金属网的编织纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
上述制得的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜作为过滤材料在口罩、空气过滤器方面的应用。
本发明的有益技术效果是：
本发明提供一种仿植物叶脉结构的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法及其在空气过滤中的应用，该方法以DMF(N,N-二甲基甲酰胺)为溶剂，PVDF(聚偏氟乙烯)、TTAC(十四烷基三甲基氯化铵)、S@SiO2(自制疏水化纳米二氧化硅)为溶质制备前驱体纺丝液；使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度连通的多孔结构的复合纳米膜。本发明先依赖金属网与纺丝针口间不均匀电场的作用，得到具有梯度互连的多孔结构的PVDF-TTAC层纳米纤维膜，再通过在PVDF-TTAC纤维层上依次沉积PVDF纤维层和PVDF-S@SiO2纤维层，将纳米膜的润湿性从极强的亲水性变为疏水性。同时，纤维层间孔径的增大产生了被动吸湿效应，驱动水分向亲水性纤维层梯度渗透。此外，PVDF-TTAC层可实现对所拦截的致病菌的灭活效果。最终，与现有技术相比，本发明的优点为：
第一，本发明提供的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜的制备方法简单，可操作性强，能耗较少，产品效果优良。
第二，本发明所制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜实现空气过滤膜高效过滤的同时具备较低压降，与随机排列的纤维膜相比，通过模板化金属网构造梯度互连的多孔结构，具有理想的透气性。此外，TTAC的添加有助于纺丝过程中纺丝液的劈裂效果，进而形成更加微细纤维穿插于梯度互连的多孔结构中，实现更加高效的过滤效果。
第三，本发明所制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜具备优异的抗菌性能，在与致病菌接触5min后即可对其实现超过99％的抑菌效果。
第四，本发明所制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜具备优异的定向水分传输性能，可有效将人体呼吸产生水分传输至外部实现良好的佩戴舒适性，同时阻止外部致病气溶胶浸润至内部，极大提高了产品使用安全性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜与金属网接触面的扫描电镜图；
图2为植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜不与金属网接触面的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1、实施例4和实施例9制备的不同层数纳米膜孔径大小的测试结果；
图4为本发明实施例9制备的不同纺丝时间下植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜对PM0.3的过滤性能测试结果；
图5为本发明实施例9制备的植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜在不同接触时间下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌性能测试结果；
图6为本发明实施例9制备的植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜在不同接触时间下进行实验后，大肠杆菌、金黄色葡萄球菌培养图；
图7示出本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的不同组份单层纳米膜疏水角；
图8示出本发明实施例9制备的植物叶脉结构启发的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜两侧水分传输性能。
具体实施方式
受植物叶脉的层次结构及其单向蒸腾作用启发，本发明根据以下原则设计制备了一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法：1)膜具有梯度互连的多孔结构，可实现在低空气阻力下对PM的高效拦截；2)膜孔径梯度缩小与膜浸润性梯度增加结合驱动水分的定向传输，在有效拦截个体在谈话过程中产生的致病气溶胶的同时实现超快的水渗透；3)膜具有高效抗菌性，对致病菌拦截的同时实现灭活。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
制备单层PVDF-TTAC纳米膜
步骤一，将TTAC(1wt％)加入装有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，在TTAC/DMF中加入质量分数为15wt％的PVDF粉末得到多组分纺丝液。将得到的多组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤二，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，得到 PVDF-TTAC纳米膜。控制注射速度为0.6mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例2
制备单层PVDF纳米膜
步骤一，将PVDF(15wt％)加入装有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤二，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，得到PVDF 纳米膜。控制注射速度为0.6mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例3
制备单层PVDF-S@SiO2纳米膜
步骤一，将4g二氧化硅加入装有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，向混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将S@SiO2(2wt％)加入装有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，在S@SiO2/DMF中加入质量分数为15wt％的PVDF粉末得到多组分纺丝液。将得到的多组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，得到 PVDF-S@SiO2纳米膜。控制注射速度为0.6mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例4
制备双层PVDF-TTAC/PVDF纳米膜
步骤一，将TTAC(1wt％)加入装有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤二，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF(分别对应第一纺丝液、第二纺丝液)的顺序依次纺丝，控制纺丝时间比为2:1，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。控制注射速度为0.6mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例5
制备纺丝推进速度为0.2mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入装有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，向混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(1wt％)和S@SiO2(2wt％)分别加入装有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2(分别对应第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液)的顺序依次纺丝，控制纺丝时间比为2:1:1，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。控制注射速度为0.2mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例6
制备纺丝推进速度为0.3mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，在混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(1wt％)和S@SiO2(2wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为12wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌10h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.3mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例7
制备纺丝推进速度为0.4mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将3g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，在混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在75℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(1.5wt％)和S@SiO2(2wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在85℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌10h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.4mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例8
制备纺丝推进速度为0.5mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，在混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(2wt％)和S@SiO2(3wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为12wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.5mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例9
制备纺丝推进速度为0.6mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min，得到混合溶液。之后，在混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅(S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(1wt％)和S@SiO2(2wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。不同组分纺丝液分别为第一纺丝液(PVDF-TTAC)、第二纺丝液(PVDF)和第三纺丝液(PVDF-S@SiO2)，其中第一纺丝液中PVDF的质量百分比浓度为15wt％， TTAC的质量百分比浓度为1wt％；第二纺丝液中PVDF的质量百分比浓度为15wt％；第三纺丝液中PVDF的质量百分比浓度为15wt％，S@SiO2的浓度为2wt％。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2(即第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液)的顺序依次纺丝，控制纺丝时间比为2:1:1，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.6mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例10
制备纺丝推进速度为0.7mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以400rpm转速磁力搅拌30min。之后，在混合溶液中加入5mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在80℃下反应12h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(2wt％)和S@SiO2(3wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声30min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以400rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.7mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
实施例11
制备纺丝推进速度为0.8mL/h的定向水分传输和高效抗菌纳米膜。
步骤一，将4g二氧化硅加入含有80mL环己烷的锥形烧瓶中，室温超声30min，然后以500rpm转速磁力搅拌30min。之后，在混合溶液中加入6mL的有机硅季铵盐，并滴加 1-2滴的盐酸，在75℃下反应10h。最后，用无水乙醇离心洗涤得到疏水化纳米二氧化硅 (S@SiO2)，将其置于60℃烘箱烘干备用。
步骤二，将TTAC(1wt％)和S@SiO2(2wt％)分别加入含有DMF的玻璃瓶中，将混合物在室温下超声20min。然后，分别在TTAC/DMF、S@SiO2/DMF和纯DMF中加入质量分数为15wt％的 PVDF粉末，得到不同组分纺丝液。将得到的不同组分纺丝液在室温下再次超声30min，之后在80℃磁力水浴锅中以450rpm转速搅拌12h。
步骤三，将纺丝液注入到注射器中，使用静电纺丝技术并以金属网为接收基底，以纺丝液PVDF-TTAC、PVDF、PVDF-S@SiO2的顺序依次纺丝，得到具有梯度孔径和梯度浸润性的复合纤维膜。注射速度为0.8mL/h；收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV。滑台移动速度为60mm/s。金属网接收基底的纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
上述实施例中所采用的有机硅季铵盐为二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵。
经测试，采用实施例1、实施例4和实施例9制备的单层(PVDF-TTAC)纳米膜、双层(PVDF-TTAC/PVDF)纳米膜和三层(PVDF-TTAC/PVDF/PVDF-S@SiO2)植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜孔径呈现从8-27μm、15-31μm到20-55μm分布范围逐渐增大的多峰值分布(图3)。采用实施例9制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜在空气流速为33.3L/min，纺丝时间为88min时，即可在高效过滤PM0.3(99.99％) 的同时具备71Pa的低压降(图4)。在23.3L/min的空气流速下，可以以51Pa的低压降，对PM0.3、PM0.5、PM0.8-7.5高效拦截，过滤效率分别为99.98％、100％、100％，如下表1所示。表1 为按照实施例5制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜在不同气流速度下对PM0.3、PM0.5、PM0.8-7.5的过滤性能测试结果。采用实施例9制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜具备优异的抗菌性能，在与致病菌接触5min后即可实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌超过99％的抑菌效果(图5、图6)。采用实施例1、实施例2和实施例 3制备的单层PVDF-TTAC纳米膜、PVDF纳米膜和PVDF-S@SiO2纳米膜水接触角分别为0°、139.7±0.6°以及143.0±0.3°(图7)。采用实施例9制备的植物叶脉结构启发的定向水分传输和高效抗菌纳米膜可实现水分的定向传输，水分只能从疏水面(PVDF-S@SiO2)转移至亲水面(PVDF-TTAC)，反之无效(图8)。
表1
Claims (2)
1.一种具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将纳米二氧化硅加入溶剂中，然后添加有机硅季铵盐，反应得到疏水化纳米二氧化硅；
(2)将聚偏氟乙烯和十四烷基三甲基氯化铵加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第一纺丝液；
将聚偏氟乙烯加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第二纺丝液；
将聚偏氟乙烯和步骤(1)制得的疏水化纳米二氧化硅加入N,N-二甲基甲酰胺中，得到第三纺丝液；
(3)以金属网为接收基底，使用静电纺丝技术，按第一纺丝液、第二纺丝液、第三纺丝液的使用顺序依次纺丝，制备得到具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜；
步骤(1)中：所述溶剂为环己烷；所述有机硅季铵盐为二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵；将纳米二氧化硅加入溶剂中后，先在室温下超声20-30min，然后以400-500rpm转速磁力搅拌20-30min；添加有机硅季铵盐后，在75-80℃条件下反应10-12h；所述纳米二氧化硅和有机硅季铵盐的质量体积比为3-4g∶5-6mL；
步骤(2)中：第一纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％，十四烷基三甲基氯化铵的质量百分比浓度为1-2wt％；第二纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％；第三纺丝液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为12-15wt％，疏水化纳米二氧化硅的浓度为2-3wt％；
步骤(3)中：静电纺丝中，纺丝推进速度为0.2-0.8mL/h，收集滚筒距纺丝针头20cm、转速为50rpm；施加电压为25kV；滑台移动速度为60mm/s；第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液所对应的纺丝时间比为2:1:1；第一纺丝液、第二纺丝液和第三纺丝液在进行静电纺丝前，先在80-85℃磁力水浴锅中以400-450rpm转速搅拌10-12h；所述金属网的编织纤维直径为0.03mm，孔径为30μm。
2.如权利要求1所制得的具有定向水分传输和高效抗菌功能的纳米膜作为过滤材料在口罩、空气过滤器方面的应用。
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