抗菌空氣過濾材料的制備及其性能研究

鮑 緯，韓向業，臧傳鋒，*

(1.無錫海關，江蘇 無錫214000；2.南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通226019)

熔噴非織造材料是空氣過濾材料中常見的材料之一。由于其纖維細度細，比表面積大，以及具有的三維空間網絡結構，有較多的不規則孔道，且孔徑較小，是普通口罩和醫用口罩過濾材料中的核心過濾介質[1-2]。近幾年，流感疫情頻發，如H1N1型流感、H7N9型流感、季節性流感等，嚴重威脅人類健康。目前，佩戴一次性口罩是最常用的防止流感感染和擴散的有效途徑[3-4]，但當前關于口罩用空氣過濾材料的研究，大多集中在提高其過濾效率和過濾精度，將過濾材料與抗菌殺菌功能結合的研究偏少[5-7]。細菌、病毒被阻擋后，仍然會存在于過濾介質中，在一定的條件下，還具有傳染并侵害人類的機會。因此，具有較高過濾效率和過濾精度，并具有殺菌、殺病毒的過濾材料更符合人類健康的需求。本研究將口罩過濾常用的PP熔噴非織造材料經納米抗菌材料改性，制備了兼具良好過濾性能和抗菌殺菌性能的口罩用空氣過濾材料，為口罩用空氣過濾材料的生產和應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

試驗材料:丙綸熔噴非織造材料(80g/m2，江蘇麗洋新材料有限公司)；鈦酸四丁酯(≥99%，國藥集團化學試劑有限公司，分析純)；鹽酸(36%～38%，國藥集團化學試劑有限公司，分析純)；冰醋酸(≥99.5%，國藥集團化學試劑有限公司，分析純)；無水乙醇(≥99.7%，國藥集團化學試劑有限公司，分析純)；蒸餾水(自制)；多氨基超支化聚合物納米銀混合液(納米銀含量4 g/L，自制)。

儀器:電子分析天平(美國華志，型號PTY-223)；超聲波清洗器(深圳潔盟清洗設備有限公司，型號JP-010T)；水浴恒溫振蕩器(金壇市榮華儀器制造有限公司，型號THZ-82)；等離子體處理儀(定制，南通全昂科技有限公司)；自動濾料測試儀(北京多普勒環保科技有限公司，型號ACF101)；p H計(上海儀電科學儀器股份有限公司，PHS-25)；掃描電子顯微鏡(中國科學研究院，型號KYKY2800)。

1.2 nano-TiO2的制備

以鈦酸四丁酯為前驅體，無水乙醇為反應溶劑，乙酸為抑制劑。納米TiO2生成的機理為:

室溫下，將15 ml無水乙醇與1.7 ml乙酸均勻混合，加入10 ml鈦酸丁酯，磁力攪拌器攪拌10 min得到A液，并滴加鹽酸控制A液p H值在2左右；取2.2 ml去離子水加入7.6 ml無水乙醇中，攪拌均勻后得B液。在磁力攪拌器攪拌下，將B液緩慢滴加至A液中，得到淡黃色溶液，并調節溶液p H值在5左右[8]。

1.3 丙綸熔噴過濾材料的改性

丙綸熔噴材料浸入無水乙醇中超聲波處理15 min，去除材料表面雜質及助劑，洗滌后晾干。在功率為1 k W下，將處理過的丙綸熔噴材料用等離子體處理一定時間，并立即將試樣浸入一定nano-Ag/nano-TiO2配比的溶液中，在一定溫度下浸泡一定時間，改性結束后經蒸餾水洗滌，自然干燥后，測試各試樣的性能指標。

1.4 增重率測試

將丙綸熔噴非織造過濾材料剪裁成5 cm×10 cm的試樣后，使用電子分析天平精確稱量改性前后試樣的質量，計算改性后的增重率。

1.5 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

電壓設定為20 k V，分別在1 000倍的放大倍數下，觀察改性前后丙綸熔噴材料的表面形態。

1.6 過濾性能測試

分別將改性前后的丙綸熔噴材料裁剪成直徑17.8 cm的圓形試樣，使用自動濾料測試儀進行測試。設定粒子為DEHS，粒子濃度為30 mg/m3，流速0.1 m/s，測試時間為150 s，測試試樣的過濾效率、容塵量等過濾性能。

1.7 抗菌性能測試

采用抑菌圈法，并以大腸桿菌AATCC 25922作為測試菌株，制備濃度約為107cfu/ml的含菌懸液。將0.5 ml制得的含菌懸液均勻涂抹至滅菌營養瓊脂培養基中，再分別將改性前后的丙綸熔噴材料制成直徑10 mm的試樣，放置于培養皿中間，放入培養箱中37℃靜置24 h，結束后觀察、測量抑菌圈的大小。

2 結果與分析

2.1 等離子體處理時間

試樣的等離子體處理時間分別取90、110、130、150、170、190 s時，試樣的增重率的變化如圖1所示。

如圖1所示，試樣增重率會隨等離子體處理時間的增加呈現先增后降的趨勢。當等離子體處理時間為90 s時，材料的表面改性進行的尚不徹底，導致試樣對nano-Ag/nano-TiO2溶膠的結合量不夠；當處理時間為190 s時，由于試樣厚度較薄，在長時間的等離子體轟擊后材料表面破損，失重較大，導致增重率下降；當試樣等離子體處理時間為110 s時，試樣表面無明顯變化，材料的增重率最大，故取110 s為最佳等離子體處理時間。

圖1 等離子體處理時間對增重率的影響

2.2 nano-Ag/nano-TiO2配比

當nano-Ag/nano-TiO2的配比分別為1∶72、1∶36、1∶24、1∶18時，試樣的增重率變化如圖2所示。

圖2 nano-Ag/nano-TiO2配比對增重率的影響

如圖2所示，試樣的增重率隨著nano-Ag/nano-TiO2配比的增大呈現先增后降的趨勢。試驗過程發現，當nano-Ag/nano-TiO2的配比為1∶18時，共混溶液會很快轉變成為凝膠狀，并在洗滌時出現凝絮，無法附著在熔噴非織造材料上，導致增重率下降嚴重。根據nano-Ag/nano-TiO2的配比對試樣增重率的影響變化，選定nano-Ag/nano-TiO2的配比為1∶36進行后續試驗。

2.3 改性處理時間

當改性處理時間為2、10、20、30 min時，試樣增重率的變化如圖3所示。

如圖3所示，材料的增重率隨著改性處理時間的增加呈現先增加后趨向平穩的趨勢。當處理時間大于10 min后，材料的增重率不會隨時間的增加而有較大的波動，且在10 min時增重率已達到峰值，故取10 min為最佳改性處理時間。

圖3 改性處理時間對增重率的影響

2.4 改性處理溫度

當改性處理溫度分別為25、30、40、50℃時，試樣的增重率變化如圖4所示。

圖4 改性處理溫度對增重率的影響

如圖4所示，材料的增重率會隨改性處理時溫度的上升呈現出先增后降的趨勢。試驗過程發現，當溫度達到40℃時，溶液開始出現凝膠現象；當溫度達到50℃時，出現塊狀沉淀，從而導致溫度在40℃和50℃時增重率下降較大。而溫度在30℃時，試樣的增重率達到峰值，故取30℃為最佳處理溫度。

2.5 SEM分析

電壓為20 k V時，改性前后丙綸熔噴過濾材料的SEM圖像如圖5所示。

由圖5可知，未經nano-Ag/nano-TiO2改性的熔噴非織造材料纖維表面光潔，沒有其他物質附著于纖維上；經nano-Ag/nano-TiO2改性后的丙綸熔噴非織造材料纖維上有大量顆粒狀附著物，表明材料經過改性處理后，nano-Ag/nano-TiO2已大量附著于熔噴非織造材料。

圖5 改性前后PP熔噴非織造材料的SEM圖像

2.6 過濾性能

測試粒子為DEHS，粒子濃度為30 mg/m3，流速為0.1 m/s，測試時間為150 s時，改性前后丙綸熔噴非織造材料的過濾效率和過濾阻力如圖6、圖7所示。

由圖6可知，使用nano-Ag/nano-TiO2溶膠對丙綸熔噴非織造材料進行改性，其過濾效率并不會受到太大影響。由于nano-Ag/nano-TiO2附著于纖維之上，一定程度上減小了纖維間孔隙，從而使得改性后的丙綸熔噴過濾材料對于直徑在1.0μm左右的粒子過濾效率有了一定程度的提高。

由圖7可知，在對丙綸熔噴非織造材料改性處理后，試樣的過濾阻力在氣流量從2 m3/h增加到12.5 m3/h的過程中，過濾阻力逐漸從10 Pa增加至50 Pa。與未改性的丙綸熔噴非織造材料相比，過濾阻力略有增加，這同樣是因為纖維間隙與孔洞由于nano-Ag/nano-TiO2溶膠的大量附著而減少，從而在一定程度上增加了過濾阻力。

圖6 改性前后PP熔噴非織造材料的過濾效率

圖7 改性前后PP熔噴非織造材料的過濾阻力

2.7 抗菌性能分析

改性前后丙綸熔噴非織造材料的抗菌試驗結果如圖8所示。

由圖8可知，改性前的丙綸熔噴非織造材料并不具備抗菌能力，因此沒有抑菌圈出現；而經過nano-Ag/nano-TiO2改性后的丙綸熔噴材料具有了顯著的抗菌性能，其抑菌圈直徑分別為11.4、9.8、12.3 mm這說明經過改性后的丙綸熔噴非織造材料對大腸桿菌有了很強的抑制效果。試驗發現，試驗樣本在培養箱中放置一周后，仍具有較大的抑菌圈，但與一周前相比，抑菌圈直徑減小幅度在1.5～1.9 mm。雖然抑菌圈有了一定程度的減小，但仍具有較強的抗菌性能，說明所制備的改性丙綸熔噴材料具有較好的抗菌持久性。

3 結論

利用nano-Ag/nano-TiO2對丙綸熔噴非織造材料進行了抗菌功能改性，制備了具有抗菌功能的熔噴非織造空氣過濾材料，并對制備的過濾材料進行了相關性能測試，得出結論:

圖8 改性前后PP熔噴非織造材料的抑菌圈

(1)PP熔噴非織造材料的最佳等離子體處理時間為110 s，過長或過短都會對改性結果造成負面影響。

(2)試驗中nano-Ag/nano-TiO2改性的最佳工藝為nano-Ag/nano-TiO2配比36∶1，反應溫度30℃，改性時間10 min。

(3)nano-Ag/nano-TiO2成功附著在丙綸熔噴非織造材料表面，且基本不破壞其纖維結構，是一種穩定柔和的改性方法。

(4)PP熔噴非織造材料經nano-Ag/nano-TiO2改性后，過濾性能沒有發生大的變化，仍然與未改性的材料一樣具有較好的過濾性能。

(5)PP熔噴非織造材料經nano-Ag/nano-TiO2改性后，具有明顯的抗菌殺菌功能，且有較好的抗菌持久性。