一种抗菌可降解的微纳米过滤材料及其制备方法

本发明属于微纳米过滤材料，尤其涉及一种抗菌可降解的微纳米过滤材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来人们经济生活不断提高的同时，环境问题也日益严峻，空气中的颗粒物污染现象越来越严重，人们的健康和正常生活受到威胁。空气中的一些微生物被认为是各种过敏和呼吸道疾病传播的主要原因，人们对高效过滤的材料越来越重视。普通的过滤材料虽然可以对污染性颗粒物进行有效过滤，但其功能性较单一，且过滤材料本身使用过后可能会对环境造成二次污染。因此，开发具有高性能抗菌作用且可降解的高效空气过滤材料是非常有必要的。

2、专利cn 107497179a公开了一种纳米抗菌空气过滤非织造材料及其制备方法，该纳米抗菌空气过滤非织造材料包括由聚丙烯非织造材料制成的纳米纤维抗菌层以及在该纳米纤维抗菌层的表面形成一层空气过滤层，通过复合层结构改造，增强了抗菌能力和空气过滤吸附能力，但该专利中采用的聚丙烯材料是不可生物降解的，使用后可能会对环境造成二次污染。

3、专利cn 108221184a公开了纳米纺熔复合非织造材料及其制备方法和应用。通过将由静电纺纳米纤维制成的纳米喷涂层和由纺粘长纤维制成的纤维底层和纤维覆盖层交错层叠设置，得到的纳米纺熔复合非织造材料不仅具有良好的机械强度，而且蓬松柔软，具有较强的过滤性能和透气性能，但所述材料为常规的无纺布材料，不具备抗菌和可降解等性能，故不能满足人们对安全健康类材料的需求和可持续发展要求。

4、专利cn 109137143 a公开了一种抗菌的复合纳米纤维高效过滤材料，由碳纤维和碳硅纤维复合基材和基材表面的无机抗菌剂组成，该材料具有改性功能强大、成本低廉、能耗低及产量大，可以实现过滤材料的大规模生产制备，但所述材料为采用静电纺丝制备的单层纤维网结构，存在机械性能较差和空气阻力较大的问题，造成材料的应用范围相对较小。

5、专利cn 110478980 a公开了一种纳米纤维过滤材料及其制备方法，包括由上至下依次设置的第一纺粘过滤材料层、纳米纤维过滤材料层和第二纺粘过滤材料层，纳米纤维过滤材料层通过无针往复式静电纺丝方法直接纺丝述第一纺粘过滤材料层，第二纺粘过滤材料层与纳米纤维过滤材料层压合连接，但该材料纺粘过滤材料层和纳米纤维过滤的原料不具备抗菌和可降解性能，材料使用过后可能会对环境造成二次污染。

6、综上，上述材料多存在不抗菌、不可降解、机械性能较差、压阻偏大、过滤精度不高、使用寿命较短等问题，因此开发具有高比表面积、高孔隙率、机械性能好的抗菌过滤材料将很有市场前景。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗菌可降解的微纳米过滤材料及其制备方法。该抗菌可降解的微纳米过滤材料均匀且质量稳定，通过添加抗菌颗粒增加了材料的抗菌性能，设置纳米纤维网和层叠状的复合结构增加了材料的空气过滤吸附性能，采用二氧化碳基聚氨酯、聚乳酸(pla)、聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇脂(pbat)等为原料，增加了材料的可降解性能，具有绿色环保的优势。

2、本发明的第一个目的是提供一种抗菌可降解的微纳米过滤材料，包括纳米纤维网、设置在所述纳米纤维网一侧的第一微米纤维网、设置在所述纳米纤维网另一侧的第二微米纤维网；微米纤维网是通过超声波或热轧技术复合于所述纳米纤维网两侧；

3、所述微米纤维网是通过纺黏工艺制备的二氧化碳基聚氨酯/抗菌助剂复合纤维网；所述抗菌助剂包括纳米氧化锌和纳米银；

4、所述纳米纤维网是通过静电纺工艺制备的共混聚合物纤维网；所述共混聚合物包括聚乳酸(pla)和聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇脂(pbat)。

5、在本发明的一个实施例中，所述第一微米纤维网的纤维直径为9μm-12μm，克重为20g/m2-30g/m2，厚度为0.7mm-1.2mm；

6、所述纳米纤维网的纤维直径为50nm-300nm，克重为0.3g/m2-6g/m2，厚度为100μm-400μm，平均孔径为150nm-250nm；所述平均孔径为纤维形成的网状结构的孔隙的直径，孔径的设置使材料的孔隙率增加，进一步增强了滤布的过滤作用。

7、所述第二微米纤维网的纤维直径为13μm-19μm，克重为15g/m2-25g/m2，厚度为0.5mm-0.9mm。

8、在本发明的一个实施例中，所述聚乳酸和聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇脂的质量比为6-8：2-4；所述纳米氧化锌和纳米银的质量比为2-3：1-2。

9、本发明的第二个目的是提供一种所述的抗菌可降解的微纳米过滤材料的制备方法，包括以下步骤，

10、(1)将抗菌助剂、部分二氧化碳基聚氨酯切片混合、造粒，得到的改性二氧化碳基聚氨酯母粒与剩余二氧化碳基聚氨酯切片混合得到纺黏原料，通过纺黏工艺将所述纺黏原料制成第一微米纤维网和第二微米纤维网；

11、(2)将共混聚合物和助溶剂溶于混合溶剂得到纺丝液，通过静电纺工艺将所述纺丝液喷附在步骤(1)所述的第一微米纤维网表面制成纳米纤维网；

12、(3)将第二微米纤维网铺到步骤(2)所述的纳米纤维网表面，通过超声波或热轧技术进行粘合处理，得到所述抗菌可降解的微纳米过滤材料。

13、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述改性二氧化碳基聚氨酯母粒中抗菌助剂的质量占比为20％-30％；所述纺黏原料中改性二氧化碳基聚氨酯母粒的质量占比为5％-15％。

14、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，制备第一微米纤维网时采用的纺黏工艺的条件为：工作温度为250℃-300℃，挤出量为250kg/h-400kg/h，滤后压力为5mpa-7mpa，供气量为0.6m3/min-0.65m3/min，工艺速度为5800m/min-6000m/min；

15、制备第二微米纤维网时采用的纺黏工艺的条件为：工作温度为250℃-300℃，挤出量为280kg/h-350kg/h，滤后压力为7mpa-9mpa，供气量为0.45m3/min-0.55m3/min，工艺速度为5500m/min-5800m/min。

16、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述造粒的温度为168℃-185℃。

17、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述纺黏工艺具体包括以下步骤：将纺黏原料真空干燥后送进螺杆挤压机中进行纺丝，依次经过冷却吹风装置和牵伸机等，使其气流牵伸成网，最后经过热轧机热轧，得到微米纤维网。

18、在本发明的一个实施例中，所述螺杆挤压机为单螺杆挤压机。

19、在本发明的一个实施例中，所述冷却吹风装置为双面侧吹风装置；所述双面侧吹风装置的送风风温为20.5℃-23.5℃。

20、在本发明的一个实施例中，所述牵伸机为宽狭缝式牵伸机。

21、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述静电纺工艺是通过含多曲面喷头的静电纺丝装置实现的，所述静电纺工艺的条件为：喷头转速为0.3r/min-0.6r/min，纺丝距离为10cm-20cm，纺丝电压为45kv-50kv，纺丝流量为0.3ml/h-1.5ml/h，纺丝温度为20℃-35℃，纺丝相对湿度为35％-45％。

22、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述助溶剂为钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯和钛酸四乙酯中的一种或多种；所述纺丝液中助溶剂的质量浓度为2％-6％；所述纺丝液中共混聚合物的质量浓度为9％-16％。

23、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述混合溶剂是由二氯甲烷(dcm)和二甲基甲酰胺(dmf)按照体积比2-3：2-3混合得到。

24、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述静电纺工艺是通过静电纺丝装置和接收装置实现的；所述静电纺丝装置为刀片辅助电极静电纺丝装置；所述静电纺丝装置的喷头为多曲面喷头；所述接收装置为旋转滚筒。

25、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述超声波技术的条件为：速度为30.5r/min-33.5r/min，焊接压力为0.2mpa-0.4mpa，焊接振幅为43μm-48μm；所述热轧技术的条件为：压辊压力为6kpa-15kpa，热轧温度为165℃-175℃。

26、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述超声波技术以专用超声波发生器为超声波焊接装置，频率为20khz，功率为3kw。

27、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述热轧技术是通过热轧双辊机实现的。

28、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

29、(1)本发明所述的抗菌可降解的微纳米过滤材料中含抗菌助剂和二氧化碳基聚氨酯的微米纤维网与含共混聚合物的纳米纤维网协同作用增加了该过滤材料的抗菌性能，二氧化碳基聚氨酯具有亲水性，氧化锌可使吸附的羟基产生更多的氢氧自由基，从而促进杀死大多数细菌和病毒并破环细菌的增殖能力，满足了人们对过滤材料的健康安全需求，具有更大的市场空间。

30、(2)本发明所述的抗菌可降解的微纳米过滤材料设置有三层不同结构的纤维网，外侧的纺黏微米纤维网包裹中间的静电纺纳米纤维网，使该材料的具有较高的机械性能。三层梯形纤维网的协同作用，使材料的过滤阻力增大，过滤效率得到提高，并且对微小粒子的过滤具有高效低阻的特点。

31、(3)本发明所述的抗菌可降解的微纳米过滤材料采用可降解环保型材料，二氧化碳基聚氨酯可以通过回收co2实现能源可持续发展，是一种环境友好型材料；聚乳酸(pla)具有良好的生物可降解性，产生的co2可被植物吸收，pla通过与聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇脂(pbat)的协同作用，使该材料具有较好的生物可降解性，故整个材料实现绿色可持续发展。同时二氧化碳基聚氨酯和pbat的相互作用使材料具有了更好的柔软性、耐热性和延展性。

32、(4)本发明所述的制备方法采用ses复合技术，结合纺黏和静电纺两种工艺制得的抗菌可降解的微纳米过滤材料具有高空隙率、高比表面积及微纳米尺度纤维，过滤精度得到进一步提高。同时，工艺操作简单，流程短，工艺设备简单，成本低。静电纺丝工艺采用刀片辅助电极静电纺丝装置，纺丝喷头为多曲面喷头，接收装置为旋转滚筒，通过三者的协同设计和纺丝喷丝孔出液量的调节，可以使接收的纳米纤维有序度增高，排列紧密度增强，生产效率增强。