抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的應用現(xiàn)狀和研究進展

抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的應用現(xiàn)狀和研究進展摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，有害有毒氣體、粉塵微粒以及細菌病毒等充斥著我們周圍的環(huán)境，尤其是對我們的空氣質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。簡單的空氣過濾材料已經(jīng)不能滿足人類生活的需求，無法對我們的身體起到有效的防護作用。因此，研究高性能低成本，既環(huán)保又抗菌的空氣過濾材料，在一定程度上減少有害氣體的排放，減少對人身健康的傷害，至關重要。本文簡要介紹了抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的工藝原理和發(fā)展概況，總結(jié)了抗菌性非織造材料在空氣過濾領域的應用現(xiàn)狀，并對未來抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的研究開發(fā)進行了展望。關鍵詞：抗菌性非織造材料；空氣過濾；過濾機理；應用現(xiàn)狀1引言我國的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展速度不斷加快，日益凸顯的空氣污染問題也伴隨而來，尤其是近年來頻繁出現(xiàn)的霧霾污染天氣，使生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康面臨著嚴重威脅[1]。從生產(chǎn)和生活的角度來看，空氣中的粉塵粒子會影響精密儀器和機器的正常操作、醫(yī)療程序的順利進行，以及高純度產(chǎn)品的無菌無塵生產(chǎn)，這對社會的發(fā)展造成了阻礙。從人身體健康的觀點來看，空氣中的小粒子依賴于從人的呼吸系統(tǒng)進入體內(nèi)，引起呼吸道的炎癥，損害免疫系統(tǒng)。容易引發(fā)非感染性疾病，如中風、缺血性心臟病、慢性阻塞性肺病、肺癌等[2]。2002年的SARS事件以及2020年的新型冠狀病毒肺炎為國際上令人擔憂的緊急公共衛(wèi)生事故被列入名單，主要感染途徑是通過呼吸飛沫密切接觸感染。在隨后的一段時間內(nèi)呼吸飛沫逐漸蒸發(fā)，病毒會擴散到空氣當中，會出現(xiàn)嚴重的癥狀。例如呼吸困難，在某些嚴重的情況下，還會出現(xiàn)急性呼吸困難綜合征、化膿性休克甚至死亡[3]。人們對能夠阻擋病毒以及能夠抗菌的非織造空氣過濾材料的需求空前強烈，醫(yī)用口罩被當做“救命稻草”。因此，為了保持生產(chǎn)過程的高效運行以及保護人體的健康，在保持空氣過濾材料過濾性能的同時迫切需要增強對大氣中有毒有害顆粒物的去除。近年來，空氣過濾材料的需求量越來越大，對其過濾性能的要求也越來越高。具有抗菌性能的空氣過濾材料已是必然趨勢，但現(xiàn)有的抗菌材料有各種各樣的缺點[4]。開發(fā)對環(huán)境及人類有益的抗菌性空氣過濾材料，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士和企業(yè)共同的目標。盡管我們已經(jīng)取得了一些成功，但當前的研究中仍有一些問題需要立即解決。主要問題就是研究制備出抗菌效果好，抗菌粒子固著牢固的空氣過濾材料。與織造或編織的過濾介質(zhì)相比，非織造過濾材料通過活性炭的吸附作用有效地過濾了顆粒物，并且具有高孔隙率、多孔性和比表面積大等一系列優(yōu)點[5]。其中高效、高性能濾料包括玻璃纖維過濾材料、耐高溫材料、覆膜濾料和熔噴非織造濾料，目前國際上將熔噴非織造材料用于手術(shù)口罩（N95、N97、N99）中，使其具有預防病毒侵入的功能，包括SARS病毒等都可以得到有效的阻擋。細菌、病毒被阻擋后，仍然會存在于過濾介質(zhì)中，在一定的條件下，還具有傳染并侵害人類的機會。因此，具有殺菌、殺病毒的過濾材料更符合人類健康的需求[6]。因此研究制備抗菌效果好，抗菌粒子固著牢固，抗菌性持久的抗菌空氣過濾材料將是我們未來要面臨的挑戰(zhàn)。本文介紹了抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的工藝原理和發(fā)展概況，重點綜述了抗菌性非織造材料在空氣過濾領域的應用現(xiàn)狀，并對未來抗菌性非織造材料在空氣過濾方面的開發(fā)進行了展望。這也為開發(fā)具有抗菌性的空氣過濾材料提供了研究基礎和思路。 2空氣過濾機理2.1攔截效應當隨氣流的運動而運動的直徑小、質(zhì)量輕的固體顆粒繞過纖維時，距離濾料表面太近的顆粒就會被攔截。當固體顆粒的直徑大于過濾材料的孔徑時，粒子被捕集的概率變大，攔截作用就變得明顯[7]，如圖1所示。圖1攔截過濾效應示意圖2.2慣性效應能夠在氣流中做慣性運動的固體顆粒一般直徑較大，當氣流繞過濾料中的纖維時，這類固體顆粒由于慣性力的作用來不及繞過，所以被撞擊到過濾材料上，固體顆粒便被捕獲。一般固體顆粒的慣性力隨直徑的增加而增大，進而過濾材料的過濾效果提高[8]，如圖2所示。圖2慣性沉積效應示意圖2.3擴散效應布朗運動是懸浮在空氣中的粒子在受到氣體分子熱運動的影響下產(chǎn)生的，大大提高粒子接觸纖維的可能性。通過布朗運動，小粒子的軌跡從流線中被明確地分離，從而被過濾掉。依賴于布朗運動直徑不到0.5m的粒子，遠離流線，到達纖維表面。擴散對氣流的速度非常敏感。速度越慢，粒子離開流線的時間越長，粒子越容易被纖維捕捉[9]，如圖3所示。 圖3擴散附著效應示意圖2.4重力效應當纖維表面有微粒穿過時，會在重力作用下離開流線，即，通過重力附著在纖維層上。對于小粒子來說，重力的影響是非常微弱的，一般來說，粒子堆積在纖維表面之前，就已經(jīng)通過了纖維層的氣流[10]，如圖4所示。 圖4重力效應示意圖2.5靜電效應纖維和細顆粒通過制造工序中的摩擦和特殊工序，積蓄電荷，發(fā)生所謂的靜電效應，并且纖維通過庫侖力將空氣中的細顆粒吸入。利用靜電作用，提高了過濾介質(zhì)的過濾效率并且不增加過濾阻力。其中，摩擦引起的帶電引力相對較小，靜電效果也較弱[11]，如圖5所示。圖5靜電吸附效應示意圖3抗菌性空氣過濾材料應用現(xiàn)狀 3.1聚丙烯（polypropylene，PP）聚丙烯簡稱PP，具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，是無臭、無毒的白色顆粒，其耐酸、耐腐蝕等性能優(yōu)于其他合成纖維，而且不霉不蛀，衛(wèi)生性好。為了對粉塵和細菌等有害的顆粒進行有效的濾除，采用的聚丙烯熔噴過濾材料，過濾效率高，過濾阻力低，節(jié)能。由于纖維直徑小，該過濾材料具有更大的表面積，更高的孔隙率和更好的過濾效果[12]。3.1.1PP過濾材料羅成維[13]選取了光催化抗菌性能優(yōu)異的納米二氧化鈦粉體為抗菌劑，采用密度最小的化纖所得的聚丙烯非織造布為原料，制備出了具有光催化抗菌過濾功能的聚丙烯非織造布抗菌空氣過濾材料。其創(chuàng)新點在于選用二氧化鈦作為聚丙烯非織造布的抗菌劑，實現(xiàn)了無機抗菌劑對化纖織物的抗菌整理。制備二氧化鈦分散液時采用超聲波分散技術(shù)，進而得出分散液的最佳工藝條件，為今后制備二氧化鈦紡織品抗菌材料提供了參考。制備出含二氧化鈦粉體的聚丙烯非織造布抗菌材料，探索了超臨界二氧化碳技術(shù)制備聚丙烯非織造布抗菌材料的最佳方案。3.1.2PAN納米纖維/PP針刺非織造布復合材料鄭茜璞[14]參照國際和國家性能測量，對過濾材料進行了性能研究，利用正交實驗制定靜電紡絲工藝，在丙綸針刺過濾材料上將九種聚丙烯腈納米纖維膜沉積，在對其性能進行測試和分析的基礎上，從而確定出最佳的工藝參數(shù)。在此基礎上，通過添加納米銀和石墨烯，空氣過濾材料達到了抑制細菌的目的，為新型風系統(tǒng)用復合過濾材料的開發(fā)提供了經(jīng)驗。3.1.3茶多酚改性PP濾網(wǎng)茶多酚是可再生的天然原料，具有抑制自然界中大部分動植物病原菌的能力，我們也在繼續(xù)研究和發(fā)現(xiàn)它的抗病毒、除臭和其他特性[15]。洪賢良[16]將茶多酚與聚丙烯樹脂共混紡絲織網(wǎng)，用來增強聚丙烯濾網(wǎng)的抗菌性能。從而分析了空氣過濾網(wǎng)的抗菌效果并討論了在空氣過濾領域天然茶多酚材料與技術(shù)的應用前景。從而得出了空氣過濾網(wǎng)具有良好的抗菌效果時茶多酚的含量以及茶多酚中L-EGCG含量與其抗菌作用表現(xiàn)強度之間的關系。3.2聚偏氟乙烯（poly(vinylidenefluoride)，PVDF）聚偏氟乙烯常溫下是白色粉末狀結(jié)晶，是靜電紡絲工藝中最常用的聚合物原料之一。由于制備的納米纖維膜具有高溫耐受性、耐化學腐蝕性、良好的介電特性等優(yōu)良性能，所以在過濾和其他方面有廣泛的應用前景。3.2.1聚偏氟乙烯/聚砜復合抗菌納米纖維空氣過濾材料為了改善聚偏氟乙烯纖維膜的強度，降低聚偏氟乙烯纖維膜的填充密度，有學者在PVDF纖維膜上導入了聚砜(PSU)納米纖維。通過調(diào)整纖維膜的過濾性能和機械特性，降低纖維膜的填充密度，并調(diào)整兩個聚合物層疊比率和噴嘴比率從而全面測量了纖維膜的過濾性能和機械特性[17]。添加有機類抗菌劑SCJ-891，使復合納米纖維膜抗菌化，通過調(diào)整有機類抗菌劑的濃度，制備出的聚偏氟乙烯/聚砜復合納米纖維微孔膜具備抑制細菌生長的能力。測試結(jié)果表明，納米纖維膜的抗菌效果、過濾效果非常理想。3.2.2聚偏氟乙烯/鈮酸鋰復合駐極納米纖維膜鈮酸鋰作為無機駐極材料，具有良好的鐵電、壓電和熱釋電性質(zhì)，且機械性能良好[18]。李夢營等[19]將鈮酸鋰和納米銀顆粒應用于靜電紡絲中，制備出具有抗菌性、高效低阻、容塵量大和穩(wěn)定性好的過濾材料。以聚偏氯乙烯（PVDF）切片為原料制成紡絲液，在該紡絲液中加入鈮酸鋰納米顆粒，利用靜電紡絲的方法制備復合納米纖維的PVDF/LN駐極體過濾材料。結(jié)果表明，由于LN駐極粒子的存在提高了過濾膜的過濾效率。3.2.3聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯復合駐極納米纖維膜王珊[20]使用各種測試特性評價方法來探究纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和過濾性能。通過采用靜電紡絲技術(shù)，制備了以聚四氟乙烯為主體，DMF為溶劑，PTFE-NPs為有機駐極體的靜電紡駐極復合納米纖維膜。在對其它濾材的過濾性能進行對比分析時發(fā)現(xiàn)，有著較高的過濾效率是那些具有緊密堆積結(jié)構(gòu)和超細纖維直徑的商品化玻璃纖維材料。同時，熔噴非織造材料的空氣阻力低、過濾效率略低。因此，纖維和駐極體在將有機駐極體加入到紡絲工藝中后帶上了電荷，不同PTFE-NPs含量的PVDF/PTFE復合納米纖維膜的SEM圖片如圖6所示。因此制備出的駐極纖維過濾膜具有高效、低阻和良好的帶電穩(wěn)定性，為空氣過濾領域增添了一抹亮色。 （a）0wt%（b）0.01wt%（c）0.05wt%（d）0.1wt%圖6不同PTFENPs含量的PVDF/PTFE復合納米纖維膜的SEM圖3.3聚乳酸（Polylacticacid，PLA）聚乳酸（PLA）是以可再生植物為原料，聚合物由提煉出的淀粉物質(zhì)制成，無毒性，具有較好的生物相容性及良好的可降解性[21]。還具有優(yōu)良的吸濕透氣性、抑菌性等性能，可用于包裝材料、服裝產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。3.3.1聚乳酸復合空氣過濾材料朱蕾等[22]為了使空氣過濾材料具備抗菌性能，選用具有抗菌性的聚乳酸為原料，將熔噴非織造布和水刺非織造布直接紡制上靜電紡聚乳酸納米纖維，采用TSI8130儀器測試具有抗菌性的復合納米纖維膜對粒徑為0.3～0.5m的KCl顆粒的過濾效率和過濾阻力。對聚乳酸靜電紡納米纖維和無紡布的復合做了深入的空氣過濾性能研究，結(jié)果表明：普通聚乳酸水刺材料的過濾效率幾乎為0。過濾效率得到了極大的提高是通過在其表面沉積一層聚乳酸靜電紡納米纖維膜后得到的結(jié)果。3.3.2靜電紡聚乳酸串珠/納米纖維低阻力復合空氣過濾膜劉兆麟等[23]以聚乳酸纖維為原料，將該原料和納米纖維分別通過兩個靜電紡絲噴絲頭中擠出形成復合過濾膜，由于采用的聚乳酸纖維是串珠形式的故采用顯微鏡觀察了復合濾膜中纖維的形貌特征，同時也證明了串珠纖維的加入在空間上改變了過濾膜，形成了Z字形網(wǎng)孔，使過濾材料的過濾阻力得到降低，而且納米纖維膜的過濾效率和過濾阻力隨著過濾時間的增加而提高，另外串珠纖維的添加量存在一個最優(yōu)標準，添加量過高或過低都會影響濾膜的過濾效率。3.3.3麥飯石/聚乳酸基纖維膜穆金龍[24]采用靜電紡絲法將比表面積大、吸附能力強的天然麥飯石與可分解性聚乳酸材料復合，麥飯石表面的[SiO]-與細菌表面的N+發(fā)生結(jié)合，對細菌具有吸附能力，從而抑制細菌的繁殖活動[25]，進而制備出的麥飯石/聚乳酸復合纖維過濾膜效率高、阻力低。圖7為菌液培養(yǎng)24h菌落對照圖。結(jié)果顯示，空白樣培養(yǎng)基表面有大量細菌菌落，PLA/MS纖維膜培養(yǎng)基的菌落數(shù)量有所減少，這是因為負載的麥飯石增大了纖維膜的比表面積；作為麥飯石主要化學成分的無機硅鋁酸鹽經(jīng)受了風化和侵蝕，具有多孔狀和像海綿一樣的結(jié)構(gòu)，對細菌具有一定的吸附能力。 （a）空白對照組（b）PLA纖維膜（c）PLA/MS纖維膜圖7培養(yǎng)基培養(yǎng)24h的樣品光學照片3.4殼聚糖（Chitosan，CS）殼聚糖（CS）又稱脫乙酰甲殼素，具有良好的抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌等細菌生長的性能，還具有卓越的吸附性、生物相容性。應用領域比較廣泛，如消炎、空氣和水體的凈化、組織工程、藥物緩釋等方面[26]。3.4.1殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維膜高建明[27]通過一系列研究發(fā)現(xiàn)了聚乙烯醇（PVA）與殼聚糖共混制得的靜電紡絲納米纖維過濾膜具有優(yōu)秀的抗菌性能和過濾效果，利用SEM觀察到了纖維的形貌并分析了靜電紡絲工藝中的一系列參數(shù)對過濾性能的影響，最終結(jié)果表明，過濾材料的過濾效率和壓力降都隨過濾材料的厚度增加而增加。過濾性能與納米纖維膜的層數(shù)也密切相關，并且層數(shù)越多，過濾性能越好。3.4.2基于殼聚糖的新型抗菌空氣濾料劉亭亭[28]以白色葡萄球菌作為目標微生物，在相同的溫濕度環(huán)境下，通過小型風道式凈化性能測試實驗系統(tǒng)，為了獲得不同的抗菌效率對相同克重、比例不同的殼聚糖復合濾料進行氣溶膠采樣實驗。然后為了得到殼聚糖含量和濾料厚度對濾料除菌效果的影響，以殼聚糖/丙綸復合濾料為研究對象進行分析。結(jié)果表明，該復合濾料具有良好的抗菌效果。這在空調(diào)系統(tǒng)二次污染的控制方面，以及空氣凈化領域的應用拓展方面都具有較為重要的現(xiàn)實意義。3.4.3聚酯/殼聚糖抗菌復合納米纖維膜馬利嬋在PET納米纖維膜中加入殼聚糖，在一定程度上改善了聚酯纖維膜的物理性能[29，30]。聚酯/殼聚酯復合納米纖維膜是用靜電紡絲技術(shù)制成的，納米銀被添加到纖維膜的表面，使纖維膜的抗菌性能進一步提高。使用掃描型電子顯微鏡，觀察了改變聚酯/殼聚糖比率而制成的纖維膜的微觀結(jié)構(gòu)，首先在不同電場中研究了過濾材料的力學性能和空氣過濾性能受紡紗膜厚度的影響。然后制備了許多不同的戌二醛交聯(lián)浴分析了其吸附銀離子的能力，最后加入一種溶液，即水合聯(lián)氨溶液制得了納米銀顆粒。馬利嬋通過使用搖瓶震蕩法測試納米銀離子的抗菌性能，發(fā)現(xiàn)銀離子在眾多金屬離子中具有特別優(yōu)異的抗菌能力，對人體傷害很小，所以很受人們的青睞[31]。結(jié)果表明，本實驗制備的復合納米纖維膜具有明顯的抗菌