抗菌空气过滤材料的制备及其性能研究

鲍 纬，韩向业，臧传锋，*

(1.无锡海关，江苏 无锡214000；2.南通大学 纺织服装学院，江苏 南通226019)

熔喷非织造材料是空气过滤材料中常见的材料之一。由于其纤维细度细，比表面积大，以及具有的三维空间网络结构，有较多的不规则孔道，且孔径较小，是普通口罩和医用口罩过滤材料中的核心过滤介质[1-2]。近几年，流感疫情频发，如H1N1型流感、H7N9型流感、季节性流感等，严重威胁人类健康。目前，佩戴一次性口罩是最常用的防止流感感染和扩散的有效途径[3-4]，但当前关于口罩用空气过滤材料的研究，大多集中在提高其过滤效率和过滤精度，将过滤材料与抗菌杀菌功能结合的研究偏少[5-7]。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，具有较高过滤效率和过滤精度，并具有杀菌、杀病毒的过滤材料更符合人类健康的需求。本研究将口罩过滤常用的PP熔喷非织造材料经纳米抗菌材料改性，制备了兼具良好过滤性能和抗菌杀菌性能的口罩用空气过滤材料，为口罩用空气过滤材料的生产和应用提供参考。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

试验材料:丙纶熔喷非织造材料(80g/m2，江苏丽洋新材料有限公司)；钛酸四丁酯(≥99%，国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；盐酸(36%～38%，国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；冰醋酸(≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；无水乙醇(≥99.7%，国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；蒸馏水(自制)；多氨基超支化聚合物纳米银混合液(纳米银含量4 g/L，自制)。

仪器:电子分析天平(美国华志，型号PTY-223)；超声波清洗器(深圳洁盟清洗设备有限公司，型号JP-010T)；水浴恒温振荡器(金坛市荣华仪器制造有限公司，型号THZ-82)；等离子体处理仪(定制，南通全昂科技有限公司)；自动滤料测试仪(北京多普勒环保科技有限公司，型号ACF101)；p H计(上海仪电科学仪器股份有限公司，PHS-25)；扫描电子显微镜(中国科学研究院，型号KYKY2800)。

1.2 nano-TiO2的制备

以钛酸四丁酯为前驱体，无水乙醇为反应溶剂，乙酸为抑制剂。纳米TiO2生成的机理为:

室温下，将15 ml无水乙醇与1.7 ml乙酸均匀混合，加入10 ml钛酸丁酯，磁力搅拌器搅拌10 min得到A液，并滴加盐酸控制A液p H值在2左右；取2.2 ml去离子水加入7.6 ml无水乙醇中，搅拌均匀后得B液。在磁力搅拌器搅拌下，将B液缓慢滴加至A液中，得到淡黄色溶液，并调节溶液p H值在5左右[8]。

1.3 丙纶熔喷过滤材料的改性

丙纶熔喷材料浸入无水乙醇中超声波处理15 min，去除材料表面杂质及助剂，洗涤后晾干。在功率为1 k W下，将处理过的丙纶熔喷材料用等离子体处理一定时间，并立即将试样浸入一定nano-Ag/nano-TiO2配比的溶液中，在一定温度下浸泡一定时间，改性结束后经蒸馏水洗涤，自然干燥后，测试各试样的性能指标。

1.4 增重率测试

将丙纶熔喷非织造过滤材料剪裁成5 cm×10 cm的试样后，使用电子分析天平精确称量改性前后试样的质量，计算改性后的增重率。

1.5 扫描电子显微镜(SEM)分析

电压设定为20 k V，分别在1 000倍的放大倍数下，观察改性前后丙纶熔喷材料的表面形态。

1.6 过滤性能测试

分别将改性前后的丙纶熔喷材料裁剪成直径17.8 cm的圆形试样，使用自动滤料测试仪进行测试。设定粒子为DEHS，粒子浓度为30 mg/m3，流速0.1 m/s，测试时间为150 s，测试试样的过滤效率、容尘量等过滤性能。

1.7 抗菌性能测试

采用抑菌圈法，并以大肠杆菌AATCC 25922作为测试菌株，制备浓度约为107cfu/ml的含菌悬液。将0.5 ml制得的含菌悬液均匀涂抹至灭菌营养琼脂培养基中，再分别将改性前后的丙纶熔喷材料制成直径10 mm的试样，放置于培养皿中间，放入培养箱中37℃静置24 h，结束后观察、测量抑菌圈的大小。

2 结果与分析

2.1 等离子体处理时间

试样的等离子体处理时间分别取90、110、130、150、170、190 s时，试样的增重率的变化如图1所示。

如图1所示，试样增重率会随等离子体处理时间的增加呈现先增后降的趋势。当等离子体处理时间为90 s时，材料的表面改性进行的尚不彻底，导致试样对nano-Ag/nano-TiO2溶胶的结合量不够；当处理时间为190 s时，由于试样厚度较薄，在长时间的等离子体轰击后材料表面破损，失重较大，导致增重率下降；当试样等离子体处理时间为110 s时，试样表面无明显变化，材料的增重率最大，故取110 s为最佳等离子体处理时间。

图1 等离子体处理时间对增重率的影响

2.2 nano-Ag/nano-TiO2配比

当nano-Ag/nano-TiO2的配比分别为1∶72、1∶36、1∶24、1∶18时，试样的增重率变化如图2所示。

图2 nano-Ag/nano-TiO2配比对增重率的影响

如图2所示，试样的增重率随着nano-Ag/nano-TiO2配比的增大呈现先增后降的趋势。试验过程发现，当nano-Ag/nano-TiO2的配比为1∶18时，共混溶液会很快转变成为凝胶状，并在洗涤时出现凝絮，无法附着在熔喷非织造材料上，导致增重率下降严重。根据nano-Ag/nano-TiO2的配比对试样增重率的影响变化，选定nano-Ag/nano-TiO2的配比为1∶36进行后续试验。

2.3 改性处理时间

当改性处理时间为2、10、20、30 min时，试样增重率的变化如图3所示。

如图3所示，材料的增重率随着改性处理时间的增加呈现先增加后趋向平稳的趋势。当处理时间大于10 min后，材料的增重率不会随时间的增加而有较大的波动，且在10 min时增重率已达到峰值，故取10 min为最佳改性处理时间。

图3 改性处理时间对增重率的影响

2.4 改性处理温度

当改性处理温度分别为25、30、40、50℃时，试样的增重率变化如图4所示。

图4 改性处理温度对增重率的影响

如图4所示，材料的增重率会随改性处理时温度的上升呈现出先增后降的趋势。试验过程发现，当温度达到40℃时，溶液开始出现凝胶现象；当温度达到50℃时，出现块状沉淀，从而导致温度在40℃和50℃时增重率下降较大。而温度在30℃时，试样的增重率达到峰值，故取30℃为最佳处理温度。

2.5 SEM分析

电压为20 k V时，改性前后丙纶熔喷过滤材料的SEM图像如图5所示。

由图5可知，未经nano-Ag/nano-TiO2改性的熔喷非织造材料纤维表面光洁，没有其他物质附着于纤维上；经nano-Ag/nano-TiO2改性后的丙纶熔喷非织造材料纤维上有大量颗粒状附着物，表明材料经过改性处理后，nano-Ag/nano-TiO2已大量附着于熔喷非织造材料。

图5 改性前后PP熔喷非织造材料的SEM图像

2.6 过滤性能

测试粒子为DEHS，粒子浓度为30 mg/m3，流速为0.1 m/s，测试时间为150 s时，改性前后丙纶熔喷非织造材料的过滤效率和过滤阻力如图6、图7所示。

由图6可知，使用nano-Ag/nano-TiO2溶胶对丙纶熔喷非织造材料进行改性，其过滤效率并不会受到太大影响。由于nano-Ag/nano-TiO2附着于纤维之上，一定程度上减小了纤维间孔隙，从而使得改性后的丙纶熔喷过滤材料对于直径在1.0μm左右的粒子过滤效率有了一定程度的提高。

由图7可知，在对丙纶熔喷非织造材料改性处理后，试样的过滤阻力在气流量从2 m3/h增加到12.5 m3/h的过程中，过滤阻力逐渐从10 Pa增加至50 Pa。与未改性的丙纶熔喷非织造材料相比，过滤阻力略有增加，这同样是因为纤维间隙与孔洞由于nano-Ag/nano-TiO2溶胶的大量附着而减少，从而在一定程度上增加了过滤阻力。

图6 改性前后PP熔喷非织造材料的过滤效率

图7 改性前后PP熔喷非织造材料的过滤阻力

2.7 抗菌性能分析

改性前后丙纶熔喷非织造材料的抗菌试验结果如图8所示。

由图8可知，改性前的丙纶熔喷非织造材料并不具备抗菌能力，因此没有抑菌圈出现；而经过nano-Ag/nano-TiO2改性后的丙纶熔喷材料具有了显著的抗菌性能，其抑菌圈直径分别为11.4、9.8、12.3 mm这说明经过改性后的丙纶熔喷非织造材料对大肠杆菌有了很强的抑制效果。试验发现，试验样本在培养箱中放置一周后，仍具有较大的抑菌圈，但与一周前相比，抑菌圈直径减小幅度在1.5～1.9 mm。虽然抑菌圈有了一定程度的减小，但仍具有较强的抗菌性能，说明所制备的改性丙纶熔喷材料具有较好的抗菌持久性。

3 结论

利用nano-Ag/nano-TiO2对丙纶熔喷非织造材料进行了抗菌功能改性，制备了具有抗菌功能的熔喷非织造空气过滤材料，并对制备的过滤材料进行了相关性能测试，得出结论:

图8 改性前后PP熔喷非织造材料的抑菌圈

(1)PP熔喷非织造材料的最佳等离子体处理时间为110 s，过长或过短都会对改性结果造成负面影响。

(2)试验中nano-Ag/nano-TiO2改性的最佳工艺为nano-Ag/nano-TiO2配比36∶1，反应温度30℃，改性时间10 min。

(3)nano-Ag/nano-TiO2成功附着在丙纶熔喷非织造材料表面，且基本不破坏其纤维结构，是一种稳定柔和的改性方法。

(4)PP熔喷非织造材料经nano-Ag/nano-TiO2改性后，过滤性能没有发生大的变化，仍然与未改性的材料一样具有较好的过滤性能。

(5)PP熔喷非织造材料经nano-Ag/nano-TiO2改性后，具有明显的抗菌杀菌功能，且有较好的抗菌持久性。