新型防雾霾多孔水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于水凝胶技术领域，具体涉及一种新型防雾霾多孔水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

随着社会的发展，我国乃至全世界正面临着一个又一个环境问题的挑战。近年来，中国最为严重也是被人最为关注的问题就是雾霾问题，它已经严重地影响了我们的生活和健康。科学证明，造成雾霾问题的“元凶“是pm2.5，它是指当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。因其粒径小，比表面积大，且易于富集空气中的有毒有害物质，所以能够被人体吸入，沉积在上呼吸道，甚至深入细支气管和肺泡中，影响肺的通气功能。除此之外，pm2.5对人类致癌，引起心血管病、呼吸道疾病以及肺癌等等难以治愈的症状。提升了人体患病的死亡风险。如何防治雾霾已经是亟待解决的问题。

为此，人们开发了多种方法防治雾霾。虽然取得了一定的成绩，然而这并不是一个短期内能够解决的简单问题，所以我们便需要在日常生活中最大可能的避免雾霾对我们身体的损伤。最为直接、简单、可行的办法就是避免将其吸入到人体中，最大程度地避免雾霾对人体造成伤害。为了达到这一目的，市场上研发出空气净化器，吸霾机，防雾霾口罩等等许多产品。其中，最为人们广为使用的便是防雾霾口罩。但是，目前市场上售卖的材质为熔喷无纺布的防雾霾口罩却存在一些问题。经过国家检测，其普遍整体防护水平低，并不能够做到百分之百过滤，泄漏率达到了37.5%。更有甚者偷工减料，合格率仅为24.3%。很显然，市场上的这种口罩并不能够满足人们日常生活的基本需求。为此，寻找一种新的材料取代熔喷无纺布迫在眉睫。

明胶由牛骨、猪骨等食品加工过程中产生的副产品制备而成。它具有良好的理化性能、生物相容性和溶胶凝胶可逆性。由它制出的水凝胶是一种具有亲水性、锁水能力强。它具有很好的表面活性，能制备出多孔水凝胶，其本身的孔状结构大大增加了凝胶内部的比表面积，使得更多的亲水基团可以迅速的与水分子接触。考虑到水对于pm2.5有着优异的沉积能力。所以，水有望对于pm2.5有好的阻隔能力。因为明胶是大分子蛋白质，是细菌良好的培养基，所以需要用增加多孔水凝胶的抗菌能力。稀土铈因为良好的抑菌性，近几年来备受关注。但是现有技术中还没有将明胶和稀土作为防雾霾的报道。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种新型防雾霾多孔水凝胶及其制备方法和应用，采用明胶和稀土为原料设计了多孔水凝胶，少量稀土铈加入到明胶体系中不但可以起到抗菌作用，同时可以对明胶分子起到一定的交联作用，提高水凝胶的稳定性，将所述多孔水凝胶用于pm2.5的防护，既不影响呼吸，又能够起到比通用的无纺布更好的阻隔能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种新型防雾霾多孔水凝胶，以明胶和稀土为原料，并具有密集的多孔结构和良好的抗菌性，含水量在95%以上。

本发明还保护所述新型防雾霾多孔水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取一定量的明胶粉末溶于蒸馏水中，室温溶胀0.5-2h后，置于50-70℃水浴中助溶，配制一定质量分数的明胶水溶液，调节ph为7；

（2）在20-25℃水浴中，充分搅拌使明胶溶液发泡，加入交联剂进行交联，交联时间为0.5-1h，然后加入稀土盐溶液，搅拌后将交联后的泡沫状溶液装入模具中，备用。

在本发明的优选的实施方案中，所述的明胶粉末来源于大自然和食品加工的废弃物，更优选为废弃的动物骨。

在本发明的优选的实施方案中，步骤（1）制备得到的明胶的质量分数为2-10%。

在本发明的优选的实施方案中，所述的交联剂为edc，加入量为0.5wt%。

在本发明的优选的实施方案中，所述的稀土盐溶液优选为可溶性铈盐溶液，优选为硝酸铈溶液，更优选为0.1%的硝酸铈溶液。

本发明还保护所述新型防雾霾多孔水凝胶在制备防雾霾产品中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

（1）原料取自于大自然和食品加工的废弃物（动物骨），无毒，安全性高，原料易得，成本低，能够实现资源的有效利用。

（2）明胶的原料是大分子蛋白质，与水有非常好的相容性，有利于多孔水凝胶的形成。明胶具有表面活性，无需加入发泡剂，可以通过搅拌发泡制备出多孔水凝胶，有利于实现对雾霾的有效防治。

（3）通过明胶与稀土铈的结合使多孔水凝胶对大肠杆菌具有良好的抑制作用，具有丰富的孔结构，经过对比研究发现，本发明的多孔水凝胶对pm2.5的阻隔能力明显高于目前市售的防雾霾口罩，具有优良的抗菌效果，对大肠杆菌的抑制作用尤其强，有望将其应用于防雾霾口罩内层。因为其具有净化能力高，制备方便，原料易得便宜，工艺简便快捷，有望成为新一代高性能防雾霾口罩。

（4）这种多孔水凝胶，可以降解，环境友好，有望实现高效防霾效果，应用于人体用的防霾口罩，以及汽车尾气的处理装置，为人们健康生活提供高质量新产品。

附图说明

下面结合附图进行进一步说明：

图1为实施例1制备得到的多孔水凝胶的照片；

其中插图为干燥后的水凝胶照片；

图2为实施例1制备得到的样品的扫描电镜照片；

图3为实施例1制备得到的多孔水凝胶重量与含水量的关系；

图4为实施例1制备得到的多孔水凝胶重量与含水率的关系；

图5为实施例1制备得到的多孔水凝胶含水率对抗pm2.5能力的影响；

图6为实施例1制备得到的多孔水凝胶对大肠杆菌抑制作用测试结果和测试过程照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。

本发明使用的实验仪器包括：搅拌器（euro-st20ds025型悬臂搅拌器，艾卡(广州)仪器设备有限公司）、真空冷冻干燥机（lgj-12型冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司生产）和分析天平（ms104s型电子分析天平，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司生产），以及烧杯、量筒、移液枪、玻璃棒灰分钥匙。

本发明使用的原料和试剂如下：明胶（b型骨制，罗赛洛（广东）明胶有限公司），碳化二亚胺（99%，上海源叶生物科技有限公司）,硝酸铈六水合物（分析纯，上海紫铭试剂厂生产）和蒸馏水等。

实施例1

（1）称取一定量的明胶粉末溶于蒸馏水中，室温溶胀30min后，置于60℃水浴中助溶，配制一定质量分数的明胶水溶液100ml（质量分数为4%），调节ph为7；

（2）在25℃水浴中，充分搅拌使明胶溶液发泡，加入0.5wt%的edc进行交联，交联30min，然后加入0.1%的硝酸铈，搅拌后将交联后的泡沫状溶液装入模具中，备用。

实施例2

（1）称取一定量的明胶粉末溶于蒸馏水中，室温溶胀1h后，置于70℃水浴中助溶，配制一定质量分数的明胶水溶液100ml（10%），调节ph为7；

（2）在20℃水浴中，充分搅拌使明胶溶液发泡，加入0.5wt%的edc进行交联，交联1h，然后加入0.1%的硝酸铈，搅拌后将交联后的泡沫状溶液装入模具中，备用。

实施例3

1、多孔水凝胶的形态

所述多孔水凝胶的照片如图1所示，抗菌性多孔水凝胶具有密集的多孔结构，具有较高的含水量。干燥后仍然能保持有多孔结构。进一步对所制备的样品进行了扫描电镜的测试，用扫描电镜观察样品的表面和在液氮中将其淬断后的自然断面分别经离子溅射仪喷金镀膜后，用扫描电镜观察样品的孔结构。

结果如图2所示，样品具有丰富的多孔结构，且孔为通孔，相互的连通性很好。

2、多孔水凝胶的含水量的测试

称取样品质量为w1，然后将其干燥再称重为w2，则样品含水率通过式3-1计算，

x%=(w1–w2)/w1×100%（3-1），

样品的样品含水量和持水性的关系如图3和图4所示。从图3可以看出，随着多孔水凝胶重量的增加，其含水量随之递增，且增加的幅度显著。从图4进一步表明，多孔水凝胶的含水率随着其重量的增加，基本保持不变。其含水率可高达95%以上，这说明其水凝胶具有很高的孔隙。

3、多孔水凝胶的防霾性能测试

将制出的抗菌性多孔水凝胶用微电脑激光粉尘仪进行检测，并与市场上的口罩进行对比。结果如表1和图5所示。

由图5可以看出，随着多孔水凝胶含水率的增加，雾霾总平均浓度有递减的趋势，说明多孔水凝胶含水率越大，阻碍pm2.5的性能越好。且在本发明范围内，所制备的样品对雾霾的障碍能力很强，远低于空气的pm2.5浓度。防止了雾霾空气进入人体。为此，对市场上常见的口罩以相同方法进行了防雾霾能力测试，并且与室内污染浓度，干凝胶，高含水率含水多孔凝胶进行了对比。结果如表1所示。

表1几种产品对雾霾的阻隔能力对照一览表

由表1可得，高含水率多孔水凝胶的防雾霾能力显然大大优于普通口罩。且将水凝胶中水去除后，其对雾霾的防护能力大大下降，说明了多孔水凝胶的加大优势。

4、多孔水凝胶的抑菌性的测试

所制备的样品将按下列步骤测试其对大肠杆菌的抑制能力；

（1）平板计数琼脂与营养肉汤各按比例与水混合，并煮至沸腾；

（2）将其放入高压灭菌锅灭菌，约20min；

（3）将营养肉汤接菌（大肠杆菌）后与琼脂混合，制成培养基；

（4）将明胶膜裁成直径约1cm的圆片，放在培养基上；

（5）将培养基放入恒温培养箱内恒温培养24小时后观察结果。

结果如图6所示，多孔水凝胶样品周围的抗菌圈很明显，表明多孔水凝胶对大肠杆菌抗菌有很好的抑制作用，将满足人体对于抗菌要求，能够为人体所用。

尽管通过参照本发明的优选实施例，已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。