抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)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(xì)菌病毒等充斥著我們周圍的環(huán)境，尤其是對(duì)我們的空氣質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。簡(jiǎn)單的空氣過(guò)濾材料已經(jīng)不能滿足人類生活的需求，無(wú)法對(duì)我們的身體起到有效的防護(hù)作用。因此，研究高性能低成本，既環(huán)保又抗菌的空氣過(guò)濾材料，在一定程度上減少有害氣體的排放，減少對(duì)人身健康的傷害，至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要介紹了抗菌性非織造材料在空氣過(guò)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(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾方面的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：抗菌性非織造材料；空氣過(guò)濾；過(guò)濾機(jī)理；應(yīng)用現(xiàn)狀1引言我國(guó)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(wèn)題也伴隨而來(lái)，尤其是近年來(lái)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(yán)重威脅[1]。從生產(chǎn)和生活的角度來(lái)看，空氣中的粉塵粒子會(huì)影響精密儀器和機(jī)器的正常操作、醫(yī)療程序的順利進(jìn)行，以及高純度產(chǎn)品的無(wú)菌無(wú)塵生產(chǎn)，這對(duì)社會(huì)的發(fā)展造成了阻礙。從人身體健康的觀點(diǎn)來(lái)看，空氣中的小粒子依賴于從人的呼吸系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)、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(guó)際上令人擔(dān)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(guò)呼吸飛沫密切接觸感染。在隨后的一段時(shí)間內(nèi)呼吸飛沫逐漸蒸發(fā)，病毒會(huì)擴(kuò)散到空氣當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的癥狀。例如呼吸困難，在某些嚴(yán)重的情況下，還會(huì)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(duì)能夠阻擋病毒以及能夠抗菌的非織造空氣過(guò)濾材料的需求空前強(qiáng)烈，醫(yī)用口罩被當(dāng)做“救命稻草”。因此，為了保持生產(chǎn)過(guò)程的高效運(yùn)行以及保護(hù)人體的健康，在保持空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的同時(shí)迫切需要增強(qiáng)對(duì)大氣中有毒有害顆粒物的去除。近年來(lái)，空氣過(guò)濾材料的需求量越來(lái)越大，對(duì)其過(guò)濾性能的要求也越來(lái)越高。具有抗菌性能的空氣過(guò)濾材料已是必然趨勢(shì)，但現(xiàn)有的抗菌材料有各種各樣的缺點(diǎn)[4]。開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境及人類有益的抗菌性空氣過(guò)濾材料，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士和企業(yè)共同的目標(biāo)。盡管我們已經(jīng)取得了一些成功，但當(dāng)前的研究中仍有一些問(wèn)題需要立即解決。主要問(wèn)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(guò)濾材料。與織造或編織的過(guò)濾介質(zhì)相比，非織造過(guò)濾材料通過(guò)活性炭的吸附作用有效地過(guò)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(diǎn)[5]。其中高效、高性能濾料包括玻璃纖維過(guò)濾材料、耐高溫材料、覆膜濾料和熔噴非織造濾料，目前國(guó)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(yù)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(xì)菌、病毒被阻擋后，仍然會(huì)存在于過(guò)濾介質(zhì)中，在一定的條件下，還具有傳染并侵害人類的機(jī)會(huì)。因此，具有殺菌、殺病毒的過(guò)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(guò)濾材料將是我們未來(lái)要面臨的挑戰(zhàn)。本文介紹了抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾方面的工藝原理和發(fā)展概況，重點(diǎn)綜述了抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)抗菌性非織造材料在空氣過(guò)濾方面的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了展望。這也為開(kāi)發(fā)具有抗菌性的空氣過(guò)濾材料提供了研究基礎(chǔ)和思路。 2空氣過(guò)濾機(jī)理2.1攔截效應(yīng)當(dāng)隨氣流的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的直徑小、質(zhì)量輕的固體顆粒繞過(guò)纖維時(shí)，距離濾料表面太近的顆粒就會(huì)被攔截。當(dāng)固體顆粒的直徑大于過(guò)濾材料的孔徑時(shí)，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(guò)濾效應(yīng)示意圖2.2慣性效應(yīng)能夠在氣流中做慣性運(yùn)動(dòng)的固體顆粒一般直徑較大，當(dāng)氣流繞過(guò)濾料中的纖維時(shí)，這類固體顆粒由于慣性力的作用來(lái)不及繞過(guò)，所以被撞擊到過(guò)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(jìn)而過(guò)濾材料的過(guò)濾效果提高[8]，如圖2所示。圖2慣性沉積效應(yīng)示意圖2.3擴(kuò)散效應(yīng)布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在空氣中的粒子在受到氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的影響下產(chǎn)生的，大大提高粒子接觸纖維的可能性。通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)，小粒子的軌跡從流線中被明確地分離，從而被過(guò)濾掉。依賴于布朗運(yùn)動(dòng)直徑不到0.5m的粒子，遠(yuǎn)離流線，到達(dá)纖維表面。擴(kuò)散對(duì)氣流的速度非常敏感。速度越慢，粒子離開(kāi)流線的時(shí)間越長(zhǎng)，粒子越容易被纖維捕捉[9]，如圖3所示。 圖3擴(kuò)散附著效應(yīng)示意圖2.4重力效應(yīng)當(dāng)纖維表面有微粒穿過(guò)時(shí)，會(huì)在重力作用下離開(kāi)流線，即，通過(guò)重力附著在纖維層上。對(duì)于小粒子來(lái)說(shuō)，重力的影響是非常微弱的，一般來(lái)說(shuō)，粒子堆積在纖維表面之前，就已經(jīng)通過(guò)了纖維層的氣流[10]，如圖4所示。 圖4重力效應(yīng)示意圖2.5靜電效應(yīng)纖維和細(xì)顆粒通過(guò)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(yīng)，并且纖維通過(guò)庫(kù)侖力將空氣中的細(xì)顆粒吸入。利用靜電作用，提高了過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾效率并且不增加過(guò)濾阻力。其中，摩擦引起的帶電引力相對(duì)較小，靜電效果也較弱[11]，如圖5所示。圖5靜電吸附效應(yīng)示意圖3抗菌性空氣過(guò)濾材料應(yīng)用現(xiàn)狀 3.1聚丙烯（polypropylene，PP）聚丙烯簡(jiǎn)稱PP，具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，是無(wú)臭、無(wú)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(duì)粉塵和細(xì)菌等有害的顆粒進(jìn)行有效的濾除，采用的聚丙烯熔噴過(guò)濾材料，過(guò)濾效率高，過(guò)濾阻力低，節(jié)能。由于纖維直徑小，該過(guò)濾材料具有更大的表面積，更高的孔隙率和更好的過(guò)濾效果[12]。3.1.1PP過(guò)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(guò)濾功能的聚丙烯非織造布抗菌空氣過(guò)濾材料。其創(chuàng)新點(diǎn)在于選用二氧化鈦?zhàn)鳛榫郾┓强椩觳嫉目咕鷦瑢?shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)抗菌劑對(duì)化纖織物的抗菌整理。制備二氧化鈦分散液時(shí)采用超聲波分散技術(shù)，進(jìn)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(fù)合材料鄭茜璞[14]參照國(guó)際和國(guó)家性能測(cè)量，對(duì)過(guò)濾材料進(jìn)行了性能研究，利用正交實(shí)驗(yàn)制定靜電紡絲工藝，在丙綸針刺過(guò)濾材料上將九種聚丙烯腈納米纖維膜沉積，在對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和分析的基礎(chǔ)上，從而確定出最佳的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)添加納米銀和石墨烯，空氣過(guò)濾材料達(dá)到了抑制細(xì)菌的目的，為新型風(fēng)系統(tǒng)用復(fù)合過(guò)濾材料的開(kāi)發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)。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(dòng)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(shù)脂共混紡絲織網(wǎng)，用來(lái)增強(qiáng)聚丙烯濾網(wǎng)的抗菌性能。從而分析了空氣過(guò)濾網(wǎng)的抗菌效果并討論了在空氣過(guò)濾領(lǐng)域天然茶多酚材料與技術(shù)的應(yīng)用前景。從而得出了空氣過(guò)濾網(wǎng)具有良好的抗菌效果時(shí)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(qiáng)度之間的關(guān)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(xué)腐蝕性、良好的介電特性等優(yōu)良性能，所以在過(guò)濾和其他方面有廣泛的應(yīng)用前景。3.2.1聚偏氟乙烯/聚砜復(fù)合抗菌納米纖維空氣過(guò)濾材料為了改善聚偏氟乙烯纖維膜的強(qiáng)度，降低聚偏氟乙烯纖維膜的填充密度，有學(xué)者在PVDF纖維膜上導(dǎo)入了聚砜(PSU)納米纖維。通過(guò)調(diào)整纖維膜的過(guò)濾性能和機(jī)械特性，降低纖維膜的填充密度，并調(diào)整兩個(gè)聚合物層疊比率和噴嘴比率從而全面測(cè)量了纖維膜的過(guò)濾性能和機(jī)械特性[17]。添加有機(jī)類抗菌劑SCJ-891，使復(fù)合納米纖維膜抗菌化，通過(guò)調(diào)整有機(jī)類抗菌劑的濃度，制備出的聚偏氟乙烯/聚砜復(fù)合納米纖維微孔膜具備抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的能力。測(cè)試結(jié)果表明，納米纖維膜的抗菌效果、過(guò)濾效果非常理想。3.2.2聚偏氟乙烯/鈮酸鋰復(fù)合駐極納米纖維膜鈮酸鋰作為無(wú)機(jī)駐極材料，具有良好的鐵電、壓電和熱釋電性質(zhì)，且機(jī)械性能良好[18]。李夢(mèng)營(yíng)等[19]將鈮酸鋰和納米銀顆粒應(yīng)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(guò)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(fù)合納米纖維的PVDF/LN駐極體過(guò)濾材料。結(jié)果表明，由于LN駐極粒子的存在提高了過(guò)濾膜的過(guò)濾效率。3.2.3聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯復(fù)合駐極納米纖維膜王珊[20]使用各種測(cè)試特性評(píng)價(jià)方法來(lái)探究纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能。通過(guò)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(jī)駐極體的靜電紡駐極復(fù)合納米纖維膜。在對(duì)其它濾材的過(guò)濾性能進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，有著較高的過(guò)濾效率是那些具有緊密堆積結(jié)構(gòu)和超細(xì)纖維直徑的商品化玻璃纖維材料。同時(shí)，熔噴非織造材料的空氣阻力低、過(guò)濾效率略低。因此，纖維和駐極體在將有機(jī)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(fù)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(guò)濾膜具有高效、低阻和良好的帶電穩(wěn)定性，為空氣過(guò)濾領(lǐng)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(fù)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(wú)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(lǐng)域。3.3.1聚乳酸復(fù)合空氣過(guò)濾材料朱蕾等[22]為了使空氣過(guò)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(cè)試具有抗菌性的復(fù)合納米纖維膜對(duì)粒徑為0.3～0.5m的KCl顆粒的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力。對(duì)聚乳酸靜電紡納米纖維和無(wú)紡布的復(fù)合做了深入的空氣過(guò)濾性能研究，結(jié)果表明：普通聚乳酸水刺材料的過(guò)濾效率幾乎為0。過(guò)濾效率得到了極大的提高是通過(guò)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(fù)合空氣過(guò)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(guò)兩個(gè)靜電紡絲噴絲頭中擠出形成復(fù)合過(guò)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(fù)合濾膜中纖維的形貌特征，同時(shí)也證明了串珠纖維的加入在空間上改變了過(guò)濾膜，形成了Z字形網(wǎng)孔，使過(guò)濾材料的過(guò)濾阻力得到降低，而且納米纖維膜的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力隨著過(guò)濾時(shí)間的增加而提高，另外串珠纖維的添加量存在一個(gè)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，添加量過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響濾膜的過(guò)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(qiáng)的天然麥飯石與可分解性聚乳酸材料復(fù)合，麥飯石表面的[SiO]-與細(xì)菌表面的N+發(fā)生結(jié)合，對(duì)細(xì)菌具有吸附能力，從而抑制細(xì)菌的繁殖活動(dòng)[25]，進(jìn)而制備出的麥飯石/聚乳酸復(fù)合纖維過(guò)濾膜效率高、阻力低。圖7為菌液培養(yǎng)24h菌落對(duì)照?qǐng)D。結(jié)果顯示，空白樣培養(yǎng)基表面有大量細(xì)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?yàn)樨?fù)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(xué)成分的無(wú)機(jī)硅鋁酸鹽經(jīng)受了風(fēng)化和侵蝕，具有多孔狀和像海綿一樣的結(jié)構(gòu)，對(duì)細(xì)菌具有一定的吸附能力。 （a）空白對(duì)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(xué)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(xì)菌生長(zhǎng)的性能，還具有卓越的吸附性、生物相容性。應(yīng)用領(lǐng)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(guò)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(guò)濾膜具有優(yōu)秀的抗菌性能和過(guò)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(duì)過(guò)濾性能的影響，最終結(jié)果表明，過(guò)濾材料的過(guò)濾效率和壓力降都隨過(guò)濾材料的厚度增加而增加。過(guò)濾性能與納米纖維膜的層數(shù)也密切相關(guān)，并且層數(shù)越多，過(guò)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(biāo)微生物，在相同的溫濕度環(huán)境下，通過(guò)小型風(fēng)道式凈化性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了獲得不同的抗菌效率對(duì)相同克重、比例不同的殼聚糖復(fù)合濾料進(jìn)行氣溶膠采樣實(shí)驗(yàn)。然后為了得到殼聚糖含量和濾料厚度對(duì)濾料除菌效果的影響，以殼聚糖/丙綸復(fù)合濾料為研究對(duì)象進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該復(fù)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(lǐng)域的應(yīng)用拓展方面都具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.4.3聚酯/殼聚糖抗菌復(fù)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(fù)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(jìn)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(chǎng)中研究了過(guò)濾材料的力學(xué)性能和空氣過(guò)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(guò)使用搖瓶震蕩法測(cè)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(duì)人體傷害很小，所以很受人們的青睞[31]。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合納米纖維膜具有明顯的抗菌