一种抗菌的静电纺丝纳米纤维空气过滤材料的制备及应用的制作方法

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及具有抗菌功能的多层纳米纤维空气过滤材料的制备。

背景技术

当今经济快速发展，人民生活水平日益提高，但同时也带来严重的环境问题。空气污染日益严重，污浊的大气中携有大量粉尘颗粒和细菌病毒，随着空气流动传播，对人们的身体健康造成很大的困扰。

静电纺丝技术是聚合物溶液在高压电场中带电，通过静电吸引力克服高分子溶液的表面张力，进行喷射拉伸得到纳米直径的纤维。静电纺丝得到的纳米纤维表面积较大、孔隙率低、直径小等特点，是一种非常好的过滤材料，对细小颗粒和细菌病毒的过滤效率较高，在医用材料领域有着巨大的应用前景。

海因衍生物是新型的卤胺杀菌剂，这种杀菌剂具有易于再生、稳定性好及高效、广谱抗菌的特点。n-乙烯基甲酰胺-共聚-3-烯丙基-5，5-二甲基海因是含有活泼氨基的海因衍生物，氯化后具有抗菌性能，在短时间内可达到较强的杀菌效果同时具有氯化再生特性。

壳聚糖是一种天然高分子化合物，廉价易得，生物可降解性、生物相容性较好，无毒，且具有抗菌特性，在医用材料领域得到广泛应用。但壳聚糖需要与细菌接触较长时间才能杀死细菌，从而限制了其应用范围，且壳聚糖可纺性较差，通常与其他材料共混纺丝。

聚乙烯醇(pva)是一种水溶性聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性、化学稳定性，无毒，且具有很好的可纺性和成膜性。同时聚乙烯醇的溶剂是水，能够避免有毒溶剂的使用，作为良好的生物医用材料得到广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前口罩抗菌、过滤效果均不佳的情况下，提供一种抗菌的静电纺纳米纤维过滤材料的制备方法。本方法制备的复合纳米纤维膜对空气中的颗粒有很高的过滤效率和抗菌功能，可用于口罩等空气过滤装置的主导过滤层。

本发明采用的技术方案如下：

(1)80℃水浴加热溶解聚乙烯醇，配制一定浓度的聚乙烯醇水溶液，同时配制一定浓度的壳聚糖乙酸溶液，将壳聚糖和聚乙烯醇按照一定的比例进行混合搅拌1h，并将其加入注射器中，采用铝箔作为收集基体，在合适条件下纺丝得到纳米纤维膜。

(2)称取一定质量的共聚物样品溶解于步骤(1)配置的聚乙烯醇水溶液，室温下混合搅拌2h，得到透明溶液，采用步骤(1)纺丝得到的纳米纤维膜作为收集基体，在合适条件下纺丝得到两层纳米纤维膜。

(3)采用步骤(2)得到的纳米纤维膜作为收集基体，进行纺丝，得到三层纳米纤维膜。

(4)将上述步骤得到的纳米纤维膜置于干燥器中，使用戊二醛蒸汽进行交联处理。

(5)采用具有300至500nm直径的氯化钠气溶胶颗粒测试透气性和对颗粒的拦截效率。采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌测试制备的复合静电纺纳米纤维膜的抗菌性。

优选的是，聚乙烯醇水溶液质量浓度为8％-10％，浓度过低则溶液粘度太小而导致静电纺丝机喷射出的是液滴，无法电喷成丝。浓度过高则溶液粘度过大，溶液难以在针头尖端形成椎体，无法出丝。

优选的是，壳聚糖乙酸溶液浓度为1％-3％，乙酸浓度为1％，壳聚糖难溶于水，溶于稀乙酸，乙酸浓度过高，会导致壳聚糖分解。壳聚糖浓度过高，则黏度较大，难以纺丝，且壳聚糖本身难以纺丝。

优选的是，聚乙烯醇水溶液和壳聚糖乙酸溶液的质量浓度比为1：1，2：1，3：1。聚乙烯醇比例较小时难以纺丝，因壳聚糖本身较难纺丝。聚乙烯醇水溶液和共聚物样品质量比为1：1，2：1，3:1。

优选的是，电喷环境温度为10-50℃，高压电源输出电压为15-30kv，接收装置与喷丝口之间的距离为5-15cm，流速为0.3-0.5ml/h。

优选的是，采用氯化钠气溶胶颗粒直径为300-500nm，进行抗菌测试的微生物为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。

复合静电纺纳米纤维膜的应用，作为口罩用抗菌空气过滤材料，使用氯化钠气溶胶颗粒测试透气性和对颗粒的拦截效率，同时还能测试其压降。采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌测试制备的复合静电纺纳米纤维膜的抗菌性。

本发明三层静电纺纳米纤维膜作为口罩用抗菌过滤材料，与之前的文献报道相比，具有如下优点：

(1)本发明制备方法简单易行，条件可控，成本低廉。

(2)本发明的抗菌纳米纤维膜中间层为高分子抗菌剂和聚乙烯醇的混合纺丝膜，起主导的抗菌作用。最里层和最外层为壳聚糖乙酸溶液和聚乙烯醇水溶液混合纺丝膜，起到辅助抗菌作用，交联后还有机械支撑作用。同时三层纳米纤维膜的直径和膜的厚度可以人为控制，该复合膜对超细的空气中的颗粒和细菌起到拦截作用，并且拦截的细菌可以被纤维膜上的海因共聚物样品和壳聚糖杀死。

(3)本发明的纳米纤维膜中含有高分子抗菌剂，能够避免抗菌剂在使用过程中的脱离，从而增加过滤材料的稳定性。

(4)本发明的抗菌纳米纤维过滤材料做成的口罩，不仅具有良好的透气性，而且能有效拦截氯化钠气溶胶颗粒。

附图说明

图1为本发明所述静电纺丝简易装置图；

图2为本发明制备的复合纺丝纤维膜的扫描电镜图；

图3为本发明制备的复合纺丝纤维膜浸水后的扫描电镜图；

图4为本发明制备的复合纺丝纤维膜的tga图。

具体实施方式

实施例1

配制8％的聚乙烯醇水溶液、1％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为1:1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为20kv、针头与接收装置距离为10cm、流速为0.3ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以1:1的比例溶于8％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述步骤中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例2

配制9％的聚乙烯醇水溶液、2％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为2:1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为25kv、针头与接收装置距离为15cm、流速为0.4ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以2:1的比例溶于9％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例3

配制10％的聚乙烯醇水溶液、3％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为3：1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为15kv、针头与接收装置距离为5cm、流速为0.5ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以3:1的比例溶于10％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例4

配制10％的聚乙烯醇水溶液、3％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为1:1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为15kv、针头与接收装置距离为10cm、流速为0.3ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以1:1的比例溶于10％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例5

配制10％的聚乙烯醇水溶液、3％的壳聚糖乙酸溶液，将其质量比为2:1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为20kv、针头与接收装置距离为15cm、流速为0.4ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以2:1的比例溶于10％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例6

配制10％的聚乙烯醇水溶液、3％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为3:1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为25kv、针头与接收装置距离为15cm、流速为0.5ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品质量分数比为3:1的比例溶于10％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

实施例7

配制10％的聚乙烯醇水溶液、3％的壳聚糖乙酸溶液，将其以质量分数比为3：1的比例搅拌混合均匀后加入注射器中，在高压电源的输出电压为20kv、针头与接收装置距离为15cm、流速为0.5ml/h的条件下使用静电纺丝机纺丝得到第一层纳米纤维膜。

将共聚物样品以质量分数比为1:1的比例溶于10％的聚乙烯醇水溶液中，以上述步骤得到的纤维膜为收集基体进行静电纺丝得到两层纤维膜。

同第一层纺丝膜纺丝液的制备方法，以上述中的得到的两层纤维膜作为收集基体，纺丝得到三层纤维膜。

将上述步骤纺丝得到的三层纳米纤维膜置于干燥器中，使用50％的戊二醛进行蒸汽交联。

上述实施例中，可根据实验操作调整纺丝液中聚合物的比例，聚合物的浓度，静电纺丝参数来制备复合纳米纤维膜，使其具有最佳过滤效率。应当指出，以上实施例是本发明的非限定性例子，本发明并不局限于上述实施例，还可以有许多调整，能从本发明导出的调整均视为本发明的保护范围。