一种制备抑菌过滤材料的方法与流程

本发明涉及一种利用生物质资源制备抑菌过滤材料的方法，属于空气净化技术领域。

背景技术：

改革开放以来，以资源消耗为主的粗放型经济增长方式虽然使我国经济得到迅速发展，但与此同时各种污染问题纷至沓来，其中空气污染己成为当今环境污染的一个主要问题。尤其是近年来，以颗粒物为主要污染物的霾和光化学烟雾频发，空气污染呈现出煤烟型与机动车污染共存的新型空气复合污染特征。除此之外，空气中各种有害细菌无处不在，它们繁殖速度快、生存能力强、传播范围广，这些细菌极易被体积小、质量轻且比表面积大的悬浮颗粒污染物吸附，引起许多具有较强传染性和严重危害性的流行性疾病，造成更严重的环境交叉污染。显而易见，空气污染问题已经严重影响了我国经济发展、市民身体健康和区域生态环境，从长远看，也严重制约了我国制定的长期可持续发展战略。对于日益严重的空气污染，空气过滤技术是改善空气质量最有效的方法之一。目前市场上采用的空气过滤材料以玻璃纤维和化学纤维为主，这些原料主要来源于化石产品，生产过程能耗较高，而且此类过滤材料使用废弃后，不能自然降解，会引发二次污染，给环境增加很大负担。此外，随着人们环保意识不断提高和健康意识的不断增强，普通空气过滤材料已无法满足消费者对空气品质越来越高的要求，因此迫切需要开发一种在去除颗粒物和光化学烟雾的同时，更能消灭空气中细菌和病毒的新型高效空气过滤材料。

CN104000318A公开了“一种再生桑皮纳米纤维抗菌保健口罩及其生产方法”，首先将桑皮纤维溶解于一定试剂中，通过静电纺丝制备具有纳米级桑皮纤维构成的三维无纺毡，再与其它非织造桑皮纤维复合制备纤维抗菌保健口罩；CN102920067A公开了“一种纳米纤维夹心式防护口罩的制备方法”，将二醋酸纤维素切片、聚乳酸切片、聚乙烯醇溶于对应的有机溶液中，采用静电纺丝法制备得到纳米纤维膜，再将所得纳米纤维膜加入无纺布中间制备夹心式防护口罩；CN101892608A公开了“一种利用蚕丝下脚料生产杀菌口罩纸的工艺”，首先将蚕丝先用切料机切断，用纯碱水溶液进行脱胶后，再用打浆机打成直径为微米级的蚕丝纤维浆，加入各种化学添加剂后，送抄纸机生产杀菌口罩纸。这些方法的缺点在于，采用静电纺丝法制备纳米/微米纤维（膜），不仅设备昂贵，而且效率不高，还需要添加各种化学助剂，生产工艺复杂。CN102294151A提供了一种生物质水体过滤材料，通过将植物废料、动物毛发、废皮革、甲壳等生物质原料与废塑料经过蒸汽爆破处理，再添加合适的粘结剂制备而成。然而，该工艺采用蒸汽爆破原料和机械压制成型的高压处理，能耗相对较高，且粘结剂采用聚氨酯树脂造成产品无法完全生物降解。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种表观密度不高于0.1 g/cm³、抗张指数不低于8 Nm/g、降解率不低于95%、对 0.1 -1 µm 的尘埃过滤效率不低于85%、对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85% 以上的抑菌过滤材料的制备方法。

技术方案为：

一种制备抑菌过滤材料的方法，包括如下步骤：

表面活性剂、植物纤维和水混合，得混合浆料；搅拌混合浆料至呈泡沫状，得泡沫纤维；对泡沫纤维进行真空抽滤，至肉眼观察不到水线；然后干燥至含水量10wt％以下即可；真空抽滤时的真空度在0.01～0.1 Mpa之间；

所述植物纤维由负载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液组成，其中，负载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液的质量比不低于0.1:1；

所述混合浆料中，植物纤维的质量含量不低于0.1％，表面活性剂的质量是植物纤维质量的1％以上。

实验研究发现：

第一、如果采用自然脱水的方式对泡沫纤维进行脱水，所需脱水时间长，在脱水过程中气泡会破裂，尤其是下层气泡的破裂数量远远高于上层气泡的破裂数量；一方面会导致泡沫纤维坍塌，导致形成的材料不具有过滤功能；另一方面，会导致所形成的发泡材料的上下密度不一致，且发泡材料的整体密度偏大，无法达到过滤材料的性能要求。采用真空抽滤的脱水方式对泡沫纤维进行脱水，能快速脱水；但是，必须严格控制真空度及抽滤时间；如果真空度过高、抽滤时间过长，会导致气泡大量破裂，无法获得具有过滤功能的材料；如果真空度过低、抽滤时间过短，难以成型，在转移至干燥设备过程中，会坍塌，无法获得具有过滤功能的材料；因此，本发明严格限定的真空度及抽滤程度。优选的，真空度为0.03～0.06 Mpa；在此条件下，抽滤更容易控制。

第二、如果混合浆料中植物纤维的含量过低，一方面，虽然能形成泡沫纤维，但是由于作为支撑结构的纤维含量少，所形成的泡沫纤维不稳定，在将其从容器中取出的过程中，泡沫纤维塌陷，无法成型，而无法获得具备过滤功能的材料；另一方面，所制备的材料强度过低；因此，本发明严格限定了植物纤维含量的下限。如果浆料中植物纤维的含量过高，则会使得搅拌难度提高，浆料难以完全泡沫化，而且使得干燥难度变大、显著提高干燥成本；因此，优选的，植物纤维的含量不高于5％；更优选的，植物纤维的含量为0.5-3％。

第三、如果表面活性剂的用量过低，则无法将浆料彻底泡沫化；无论如何搅拌，总是存在流动的浆料，无法形成稳定的泡沫纤维，无法将其从容器中取出，而无法获得过滤材料；因此，本发明严格限定了表面活性剂的下限。如果表面活性剂的用量过高，则显著提高生产成本；因此，优选的，表面活性剂的含量不高于20％；更优选的，表面活性剂的含量为5-10%。

第四，负载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液均为植物纤维；如果负载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液的质量比过低，则所制备的材料无法满足“对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85%”的要求；因此，本发明将“负载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液的质量比限定不低于0.1:1”。在保证所制备的材料的抑菌性能的前提下，为进一步降低成本，优选的，载纳米银的植物纤维与疏解后的造纸浆液的质量比限定为0.1-10:1。

第五，纤维长度决定产品的质量，包括强度、回弹性、均匀度、孔隙度、孔径等；纤维较短影响产品的孔隙度，造成材料的透气性下降，过滤效果减弱；纤维过长影响产品的回弹性和均匀度，同时成本过高；因此，优选的，纤维的长度为20-50μm。

上述方法，还包括以下步骤，在对泡沫纤维进行真空抽滤之前，将泡沫纤维加入到模具中。

上述方法，搅拌可由任何一种搅拌设备提供，为了快速获得泡沫纤维，优选的，搅拌速度在500～2000 r/min之间，更为优选的是1000～1500 r/min。

上述方法，所述泡沫纤维的体积可以根据目的产物的表观密度确定，优选的，泡沫纤维的体积是浆料体积的1.05-1.8倍；更优选的，泡沫纤维的体积是浆料体积的1.1-1.5倍。

上述制备方法，所述负载纳米银的植物纤维，可以市购或自行制备；其制备方法为现有技术。本发明采用的制备负载纳米银的植物纤维方法为：将植物纤维、还原剂、硝酸银和水搅拌均匀后，升温到50～100 ℃，保温1～8 h即可；

还原剂相对于植物纤维的用量为0.1-6%；

硝酸银相对于植物纤维的用量为0.05-3%；

所述还原剂为柠檬酸三钠、抗坏血酸、葡聚糖及糊精中的至少一种；

所述％为质量百分数。

所述制备负载纳米银的植物纤维方法，优选的，升温到70～90 ℃，保温2～5 h；还原剂相对于植物纤维的用量为0.15-2.5%；硝酸银相对于植物纤维的用量为0.1-1.5%。

上述方法，为了降低成本，所述植物纤维来源于稻草、麦秆、玉米秆、高粱秆、棉杆、芦苇、龙须草及亚麻叶中的至少一种。

上述方法，所述造纸浆液为针叶木漂白硫酸盐浆、阔叶木漂白硫酸盐浆、针叶木为漂硫酸盐浆、阔叶木未漂硫酸盐浆、化学热磨机械浆和废瓦楞纸浆中的至少一种。

上述方法，所述表面活性剂为具备发泡性能的任意表面活性剂；可以是十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱、十二烷基乙氧基磺基甜菜碱、十四烷基磺基甜菜碱、十四烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱、十六烷基磺基甜菜碱、十八烷基乙氧基磺基甜菜碱、十八烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十六烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱、癸烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱、十六烷酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱、十八酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱、月桂酰胺丙基羟磺基甜菜碱、椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱、椰子油磷酸酯甜菜碱、十二烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱、十四烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱、十六烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱、十八烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱、吐温20、吐温40、吐温80、吐温85以及纸浆废液中的至少一种。

上述方法，干燥处理可由包括常温干燥、烘箱干燥、真空干燥和冷冻干燥在内的任何一种干燥方式提供。

上备方法，可以将泡沫纤维置于模具之后进行真空抽滤；所述模具形状为所需制备的包装容器形状；可以是方型、圆型、管型、杯型和薄片型等各种形状。

本发明制备的抑菌过滤材料：观密度不高于0.1 g/cm³、抗张指数不低于8 Nm/g、降解率不低于95%、对 0.1 -1 µm 的尘埃过滤效率不低于85%、对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85% 以上。

本发明以自然界中大量存在的农作物秸秆和商品浆等生物质资源为主要原料，通过常温低压机械搅拌法制备一种新型生物质抑菌过滤材料。该技术原料来源广泛、可自然降解及再生，且制备方法简单，对设备要求不高，生产成本较低，产品过滤效果好，抑菌能力强，且具备抗冲防震、吸音防潮、绝缘保温等优良特性，可用于口罩、空气净化器及滤芯等方面，具有良好的市场前景。该技术不仅可以实现生物质资源在过滤材料领域对石油原料的有效替代，而且在一定程度上解决了产品生产和使用过程中的环境污染问题，有利于资源的综合、循环利用，符合国家绿色产品开发和可持续发展的政策要求。

本发明的有益效果是：原料来源广泛、助剂无毒且用量较少、制备工艺简单，所制备的生物质抑菌过滤材料强度高、密度低、过滤效果好、抑菌能力强，可完全自然降解。

附图说明

图1为本发明的制备过程中所获得的泡沫纤维的形态。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明；除另有指明，实施例中的所述份数均以质量计。

实施例1.1

利用切草机将预先称取的100份玉米秸秆切成长度20~50 mm，加入反应釜中，另加入1份柠檬酸三钠、0.5份硝酸银和9900份水，开动搅拌器调节转速至200 r/min，升温至80 ℃，保温2小时，得到负载纳米银的植物纤维。

将100份负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、19670份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%（体积分数，下同），取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出（此时，肉眼观察不到水线；下同），常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度（表观密度，下同）为0.06 g/cm³，抗张指数10.2Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 95% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 90% 以上。

实施例1.2

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、199670份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为 0.01g/cm³，抗张指数8Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.3

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、59700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.02 g/cm³，抗张指数8.3 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.4

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、9670份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.08 g/cm³，抗张指数13.5 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 95% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.5

将100份实施例1制备的实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、5670份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为1.0g/cm³，抗张指数19.7 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 98% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.6

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、19700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.01 Mpa）进行脱水干燥，15 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.08 g/cm³，抗张指数8.5 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 95% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.7

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、19700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.1 Mpa）进行脱水干燥，3 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.08 g/cm³，抗张指数8.1Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 90% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.8

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、60份十二烷基苯磺酸钠、19700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌8 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.04 g/cm³，抗张指数8.3 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例1.9

将100份实施例1制备的负载纳米银的植物纤维、15份十二烷基苯磺酸钠、19700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌15 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，5 min后将其取出，常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.08 g/cm³，抗张指数8.9 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 90% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达85% 以上。

实施例2

利用切草机将预先称取的100份小麦秸秆切成长度20~50 mm，加入反应釜中，另加入2份抗坏血酸、1份硝酸银和4900份水，开动搅拌器调节转速至200 r/min，升温至90 ℃，保温3小时，得到载银秸秆纤维。

将100份载银秸秆纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、9770份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1500 r/min，搅拌15 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到30%，取200份浆料混合物至模具中，采用真空抽滤（0.08 Mpa）进行脱水干燥，3 min后将其取出，采用常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.05 g/cm³，抗张指数8.5 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85% 以上。

实施例3

利用切草机将预先称取的100份小麦秸秆切成长度20~50 mm，加入反应釜中，另加入3份柠檬酸三钠、1.5份硝酸银和6500份水，开动搅拌器调节转速至200 r/min，升温至90 ℃，保温4小时，得到载银秸秆纤维。

将100份载银秸秆纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、6470份水和疏解好的100份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1500 r/min，搅拌15 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到30%，取200份浆料混合物至模具中，采用真空抽滤（0.08 Mpa）进行脱水干燥，3 min后将其取出，采用烘箱80 ℃干燥6 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.04 g/cm³，抗张指数8.2Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 90% 以上。

实施例4

利用切草机将预先称取的100份玉米秸秆切成长度20~50 mm，加入反应釜中，另加入2份柠檬酸三钠、1份硝酸银和4900份水，开动搅拌器调节转速至200 r/min，升温至90 ℃，保温4小时，得到载银秸秆纤维。

将100份载银秸秆纤维、60份十二烷基苯磺酸钠、9740份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1500 r/min，搅拌25 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到50%，取200份浆料混合物至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，2 min后将其取出，采用常温干燥24 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.02 g/cm³，抗张指数8.3 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到 85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85% 以上。

实施例5

利用切草机将预先称取的100份小麦秸秆切成长度20~50 mm，加入反应釜中，另加入2份抗坏血酸、1份硝酸银和9900份水，开动搅拌器调节转速至200 r/min，升温至90 ℃，保温3小时，得到载银秸秆纤维。

将100份载银秸秆纤维、20份吐温20、9880份水和疏解好的100份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1500 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到20%，取200份浆料混合物至模具中，采用真空抽滤（0.05 Mpa）进行脱水干燥，3 min后将其取出，采用烘箱80 ℃干燥6 h后得到抑菌过滤材料成品。经测量产品的密度为0.05 g/cm³，抗张指数9.3 Nm/g，降解率>99%，对 0.1 µm-1 µm 的尘埃达到85% 以上的过滤效率，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达 85% 以上。

对比例1

将100份负载纳米银的植物纤维、30份十二烷基苯磺酸钠、19700份水和疏解好的200份商品浆加入反应釜，开动搅拌器调节转速至1000 r/min，搅拌10 min后，浆料混合物呈泡沫状（即为泡沫纤维，如图1所示；），泡沫纤维中空气含量达到10%，取200份泡沫纤维至模具中，静置 15 min后，气泡大量破裂，尤其是底部；再过45min泡沫基本消失，材料仍含有较多水分；将脱水后的泡沫纤维常温干燥48 h后即得成品，产品较为致密，基本无孔隙，不符合过滤材料的基本指标。