抗菌性非织造材料在空气过滤方面的应用现状和研究进展

抗菌性非织造材料在空气过滤方面的应用现状和研究进展摘要：随着工业技术的发展和生活水平的提高，有害有毒气体、粉尘微粒以及细菌病毒等充斥着我们周围的环境，尤其是对我们的空气质量产生极大的影响。简单的空气过滤材料已经不能满足人类生活的需求，无法对我们的身体起到有效的防护作用。因此，研究高性能低成本，既环保又抗菌的空气过滤材料，在一定程度上减少有害气体的排放，减少对人身健康的伤害，至关重要。本文简要介绍了抗菌性非织造材料在空气过滤方面的工艺原理和发展概况，总结了抗菌性非织造材料在空气过滤领域的应用现状，并对未来抗菌性非织造材料在空气过滤方面的研究开发进行了展望。关键词：抗菌性非织造材料；空气过滤；过滤机理；应用现状1引言我国的工业化、城镇化发展速度不断加快，日益凸显的空气污染问题也伴随而来，尤其是近年来频繁出现的雾霾污染天气，使生态环境和人们的身体健康面临着严重威胁[1]。从生产和生活的角度来看，空气中的粉尘粒子会影响精密仪器和机器的正常操作、医疗程序的顺利进行，以及高纯度产品的无菌无尘生产，这对社会的发展造成了阻碍。从人身体健康的观点来看，空气中的小粒子依赖于从人的呼吸系统进入体内，引起呼吸道的炎症，损害免疫系统。容易引发非感染性疾病，如中风、缺血性心脏病、慢性阻塞性肺病、肺癌等[2]。2002年的SARS事件以及2020年的新型冠状病毒肺炎为国际上令人担忧的紧急公共卫生事故被列入名单，主要感染途径是通过呼吸飞沫密切接触感染。在随后的一段时间内呼吸飞沫逐渐蒸发，病毒会扩散到空气当中，会出现严重的症状。例如呼吸困难，在某些严重的情况下，还会出现急性呼吸困难综合征、化脓性休克甚至死亡[3]。人们对能够阻挡病毒以及能够抗菌的非织造空气过滤材料的需求空前强烈，医用口罩被当做“救命稻草”。因此，为了保持生产过程的高效运行以及保护人体的健康，在保持空气过滤材料过滤性能的同时迫切需要增强对大气中有毒有害颗粒物的去除。近年来，空气过滤材料的需求量越来越大，对其过滤性能的要求也越来越高。具有抗菌性能的空气过滤材料已是必然趋势，但现有的抗菌材料有各种各样的缺点[4]。开发对环境及人类有益的抗菌性空气过滤材料，已经成为业内人士和企业共同的目标。尽管我们已经取得了一些成功，但当前的研究中仍有一些问题需要立即解决。主要问题就是研究制备出抗菌效果好，抗菌粒子固着牢固的空气过滤材料。与织造或编织的过滤介质相比，非织造过滤材料通过活性炭的吸附作用有效地过滤了颗粒物，并且具有高孔隙率、多孔性和比表面积大等一系列优点[5]。其中高效、高性能滤料包括玻璃纤维过滤材料、耐高温材料、覆膜滤料和熔喷非织造滤料，目前国际上将熔喷非织造材料用于手术口罩（N95、N97、N99）中，使其具有预防病毒侵入的功能，包括SARS病毒等都可以得到有效的阻挡。细菌、病毒被阻挡后，仍然会存在于过滤介质中，在一定的条件下，还具有传染并侵害人类的机会。因此，具有杀菌、杀病毒的过滤材料更符合人类健康的需求[6]。因此研究制备抗菌效果好，抗菌粒子固着牢固，抗菌性持久的抗菌空气过滤材料将是我们未来要面临的挑战。本文介绍了抗菌性非织造材料在空气过滤方面的工艺原理和发展概况，重点综述了抗菌性非织造材料在空气过滤领域的应用现状，并对未来抗菌性非织造材料在空气过滤方面的开发进行了展望。这也为开发具有抗菌性的空气过滤材料提供了研究基础和思路。 2空气过滤机理2.1拦截效应当随气流的运动而运动的直径小、质量轻的固体颗粒绕过纤维时，距离滤料表面太近的颗粒就会被拦截。当固体颗粒的直径大于过滤材料的孔径时，粒子被捕集的概率变大，拦截作用就变得明显[7]，如图1所示。图1拦截过滤效应示意图2.2惯性效应能够在气流中做惯性运动的固体颗粒一般直径较大，当气流绕过滤料中的纤维时，这类固体颗粒由于惯性力的作用来不及绕过，所以被撞击到过滤材料上，固体颗粒便被捕获。一般固体颗粒的惯性力随直径的增加而增大，进而过滤材料的过滤效果提高[8]，如图2所示。图2惯性沉积效应示意图2.3扩散效应布朗运动是悬浮在空气中的粒子在受到气体分子热运动的影响下产生的，大大提高粒子接触纤维的可能性。通过布朗运动，小粒子的轨迹从流线中被明确地分离，从而被过滤掉。依赖于布朗运动直径不到0.5m的粒子，远离流线，到达纤维表面。扩散对气流的速度非常敏感。速度越慢，粒子离开流线的时间越长，粒子越容易被纤维捕捉[9]，如图3所示。 图3扩散附着效应示意图2.4重力效应当纤维表面有微粒穿过时，会在重力作用下离开流线，即，通过重力附着在纤维层上。对于小粒子来说，重力的影响是非常微弱的，一般来说，粒子堆积在纤维表面之前，就已经通过了纤维层的气流[10]，如图4所示。 图4重力效应示意图2.5静电效应纤维和细颗粒通过制造工序中的摩擦和特殊工序，积蓄电荷，发生所谓的静电效应，并且纤维通过库仑力将空气中的细颗粒吸入。利用静电作用，提高了过滤介质的过滤效率并且不增加过滤阻力。其中，摩擦引起的带电引力相对较小，静电效果也较弱[11]，如图5所示。图5静电吸附效应示意图3抗菌性空气过滤材料应用现状 3.1聚丙烯（polypropylene，PP）聚丙烯简称PP，具有规整的晶体结构，是无臭、无毒的白色颗粒，其耐酸、耐腐蚀等性能优于其他合成纤维，而且不霉不蛀，卫生性好。为了对粉尘和细菌等有害的颗粒进行有效的滤除，采用的聚丙烯熔喷过滤材料，过滤效率高，过滤阻力低，节能。由于纤维直径小，该过滤材料具有更大的表面积，更高的孔隙率和更好的过滤效果[12]。3.1.1PP过滤材料罗成维[13]选取了光催化抗菌性能优异的纳米二氧化钛粉体为抗菌剂，采用密度最小的化纤所得的聚丙烯非织造布为原料，制备出了具有光催化抗菌过滤功能的聚丙烯非织造布抗菌空气过滤材料。其创新点在于选用二氧化钛作为聚丙烯非织造布的抗菌剂，实现了无机抗菌剂对化纤织物的抗菌整理。制备二氧化钛分散液时采用超声波分散技术，进而得出分散液的最佳工艺条件，为今后制备二氧化钛纺织品抗菌材料提供了参考。制备出含二氧化钛粉体的聚丙烯非织造布抗菌材料，探索了超临界二氧化碳技术制备聚丙烯非织造布抗菌材料的最佳方案。3.1.2PAN纳米纤维/PP针刺非织造布复合材料郑茜璞[14]参照国际和国家性能测量，对过滤材料进行了性能研究，利用正交实验制定静电纺丝工艺，在丙纶针刺过滤材料上将九种聚丙烯腈纳米纤维膜沉积，在对其性能进行测试和分析的基础上，从而确定出最佳的工艺参数。在此基础上，通过添加纳米银和石墨烯，空气过滤材料达到了抑制细菌的目的，为新型风系统用复合过滤材料的开发提供了经验。3.1.3茶多酚改性PP滤网茶多酚是可再生的天然原料，具有抑制自然界中大部分动植物病原菌的能力，我们也在继续研究和发现它的抗病毒、除臭和其他特性[15]。洪贤良[16]将茶多酚与聚丙烯树脂共混纺丝织网，用来增强聚丙烯滤网的抗菌性能。从而分析了空气过滤网的抗菌效果并讨论了在空气过滤领域天然茶多酚材料与技术的应用前景。从而得出了空气过滤网具有良好的抗菌效果时茶多酚的含量以及茶多酚中L-EGCG含量与其抗菌作用表现强度之间的关系。3.2聚偏氟乙烯（poly(vinylidenefluoride)，PVDF）聚偏氟乙烯常温下是白色粉末状结晶，是静电纺丝工艺中最常用的聚合物原料之一。由于制备的纳米纤维膜具有高温耐受性、耐化学腐蚀性、良好的介电特性等优良性能，所以在过滤和其他方面有广泛的应用前景。3.2.1聚偏氟乙烯/聚砜复合抗菌纳米纤维空气过滤材料为了改善聚偏氟乙烯纤维膜的强度，降低聚偏氟乙烯纤维膜的填充密度，有学者在PVDF纤维膜上导入了聚砜(PSU)纳米纤维。通过调整纤维膜的过滤性能和机械特性，降低纤维膜的填充密度，并调整两个聚合物层叠比率和喷嘴比率从而全面测量了纤维膜的过滤性能和机械特性[17]。添加有机类抗菌剂SCJ-891，使复合纳米纤维膜抗菌化，通过调整有机类抗菌剂的浓度，制备出的聚偏氟乙烯/聚砜复合纳米纤维微孔膜具备抑制细菌生长的能力。测试结果表明，纳米纤维膜的抗菌效果、过滤效果非常理想。3.2.2聚偏氟乙烯/铌酸锂复合驻极纳米纤维膜铌酸锂作为无机驻极材料，具有良好的铁电、压电和热释电性质，且机械性能良好[18]。李梦营等[19]将铌酸锂和纳米银颗粒应用于静电纺丝中，制备出具有抗菌性、高效低阻、容尘量大和稳定性好的过滤材料。以聚偏氯乙烯（PVDF）切片为原料制成纺丝液，在该纺丝液中加入铌酸锂纳米颗粒，利用静电纺丝的方法制备复合纳米纤维的PVDF/LN驻极体过滤材料。结果表明，由于LN驻极粒子的存在提高了过滤膜的过滤效率。3.2.3聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯复合驻极纳米纤维膜王珊[20]使用各种测试特性评价方法来探究纤维的形态结构和过滤性能。通过采用静电纺丝技术，制备了以聚四氟乙烯为主体，DMF为溶剂，PTFE-NPs为有机驻极体的静电纺驻极复合纳米纤维膜。在对其它滤材的过滤性能进行对比分析时发现，有着较高的过滤效率是那些具有紧密堆积结构和超细纤维直径的商品化玻璃纤维材料。同时，熔喷非织造材料的空气阻力低、过滤效率略低。因此，纤维和驻极体在将有机驻极体加入到纺丝工艺中后带上了电荷，不同PTFE-NPs含量的PVDF/PTFE复合纳米纤维膜的SEM图片如图6所示。因此制备出的驻极纤维过滤膜具有高效、低阻和良好的带电稳定性，为空气过滤领域增添了一抹亮色。 （a）0wt%（b）0.01wt%（c）0.05wt%（d）0.1wt%图6不同PTFENPs含量的PVDF/PTFE复合纳米纤维膜的SEM图3.3聚乳酸（Polylacticacid，PLA）聚乳酸（PLA）是以可再生植物为原料，聚合物由提炼出的淀粉物质制成，无毒性，具有较好的生物相容性及良好的可降解性[21]。还具有优良的吸湿透气性、抑菌性等性能，可用于包装材料、服装产业和医疗卫生等领域。3.3.1聚乳酸复合空气过滤材料朱蕾等[22]为了使空气过滤材料具备抗菌性能，选用具有抗菌性的聚乳酸为原料，将熔喷非织造布和水刺非织造布直接纺制上静电纺聚乳酸纳米纤维，采用TSI8130仪器测试具有抗菌性的复合纳米纤维膜对粒径为0.3～0.5m的KCl颗粒的过滤效率和过滤阻力。对聚乳酸静电纺纳米纤维和无纺布的复合做了深入的空气过滤性能研究，结果表明：普通聚乳酸水刺材料的过滤效率几乎为0。过滤效率得到了极大的提高是通过在其表面沉积一层聚乳酸静电纺纳米纤维膜后得到的结果。3.3.2静电纺聚乳酸串珠/纳米纤维低阻力复合空气过滤膜刘兆麟等[23]以聚乳酸纤维为原料，将该原料和纳米纤维分别通过两个静电纺丝喷丝头中挤出形成复合过滤膜，由于采用的聚乳酸纤维是串珠形式的故采用显微镜观察了复合滤膜中纤维的形貌特征，同时也证明了串珠纤维的加入在空间上改变了过滤膜，形成了Z字形网孔，使过滤材料的过滤阻力得到降低，而且纳米纤维膜的过滤效率和过滤阻力随着过滤时间的增加而提高，另外串珠纤维的添加量存在一个最优标准，添加量过高或过低都会影响滤膜的过滤效率。3.3.3麦饭石/聚乳酸基纤维膜穆金龙[24]采用静电纺丝法将比表面积大、吸附能力强的天然麦饭石与可分解性聚乳酸材料复合，麦饭石表面的[SiO]-与细菌表面的N+发生结合，对细菌具有吸附能力，从而抑制细菌的繁殖活动[25]，进而制备出的麦饭石/聚乳酸复合纤维过滤膜效率高、阻力低。图7为菌液培养24h菌落对照图。结果显示，空白样培养基表面有大量细菌菌落，PLA/MS纤维膜培养基的菌落数量有所减少，这是因为负载的麦饭石增大了纤维膜的比表面积；作为麦饭石主要化学成分的无机硅铝酸盐经受了风化和侵蚀，具有多孔状和像海绵一样的结构，对细菌具有一定的吸附能力。 （a）空白对照组（b）PLA纤维膜（c）PLA/MS纤维膜图7培养基培养24h的样品光学照片3.4壳聚糖（Chitosan，CS）壳聚糖（CS）又称脱乙酰甲壳素，具有良好的抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等细菌生长的性能，还具有卓越的吸附性、生物相容性。应用领域比较广泛，如消炎、空气和水体的净化、组织工程、药物缓释等方面[26]。3.4.1壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维膜高建明[27]通过一系列研究发现了聚乙烯醇（PVA）与壳聚糖共混制得的静电纺丝纳米纤维过滤膜具有优秀的抗菌性能和过滤效果，利用SEM观察到了纤维的形貌并分析了静电纺丝工艺中的一系列参数对过滤性能的影响，最终结果表明，过滤材料的过滤效率和压力降都随过滤材料的厚度增加而增加。过滤性能与纳米纤维膜的层数也密切相关，并且层数越多，过滤性能越好。3.4.2基于壳聚糖的新型抗菌空气滤料刘亭亭[28]以白色葡萄球菌作为目标微生物，在相同的温湿度环境下，通过小型风道式净化性能测试实验系统，为了获得不同的抗菌效率对相同克重、比例不同的壳聚糖复合滤料进行气溶胶采样实验。然后为了得到壳聚糖含量和滤料厚度对滤料除菌效果的影响，以壳聚糖/丙纶复合滤料为研究对象进行分析。结果表明，该复合滤料具有良好的抗菌效果。这在空调系统二次污染的控制方面，以及空气净化领域的应用拓展方面都具有较为重要的现实意义。3.4.3聚酯/壳聚糖抗菌复合纳米纤维膜马利婵在PET纳米纤维膜中加入壳聚糖，在一定程度上改善了聚酯纤维膜的物理性能[29，30]。聚酯/壳聚酯复合纳米纤维膜是用静电纺丝技术制成的，纳米银被添加到纤维膜的表面，使纤维膜的抗菌性能进一步提高。使用扫描型电子显微镜，观察了改变聚酯/壳聚糖比率而制成的纤维膜的微观结构，首先在不同电场中研究了过滤材料的力学性能和空气过滤性能受纺纱膜厚度的影响。然后制备了许多不同的戌二醛交联浴分析了其吸附银离子的能力，最后加入一种溶液，即水合联氨溶液制得了纳米银颗粒。马利婵通过使用摇瓶震荡法测试纳米银离子的抗菌性能，发现银离子在众多金属离子中具有特别优异的抗菌能力，对人体伤害很小，所以很受人们的青睐[31]。结果表明，本实验制备的复合纳米纤维膜具有明显的抗菌