一种纳米纤维电活性空气过滤材料、口罩及其制备方法

本发明涉及空气过滤材料，尤其是一种纳米纤维电活性空气过滤材料、口罩及其制备方法。

背景技术：

1、由于工业的快速发展，颗粒物引起的空气污染对人体健康构成了严重威胁，悬浮颗粒物(pm)是由极小的固体颗粒和水分组成的复杂混合物，被认为是最严重的环境问题之一。据研究，长期暴露于pm2.5环境中会引起肺癌、脑血管疾病、神经退行性疾病等。另外，空气污染物除了pm，还包括大量有害细菌或病毒，空气中的有害细菌或病毒也会引发流感、肺炎等疾病的产生。这些疾病往往具有高度传染性和严重危害性，甚至会导致患者死亡。特别是近年来，冠状病毒sars-cov-2引起的新冠肺炎covid-19给全世界人民的生产生活造成了极大冲击，口罩一度成为了生活必须品。

2、相较于熔喷无纺布等传统空气过滤材料，纳米纤维的纤维直径较细，比表面积高，是一种理想的空气过滤材料。目前制备纳米纤维的主要方法是静电纺丝，但其需要高压静电场，生产效率低，限制了其大规模产业化。与静电纺丝技术相比，溶液喷射纺丝方法是以高速气流为驱动力拉伸聚合物溶液，从而得到微纳米级别的纤维，无需高压电场，设备操作简单、成本低，生产操作灵活，生产效率高，更适合大规模工业化生产。

3、cn108993167b公开了一种抗菌静电纺丝纳米纤维空气过滤材料的制备及应用，该方法将聚乙烯醇和壳聚糖混合均匀纺丝作为最里层和最外层纳米纤维膜，起到辅助抗菌和机械支撑作用，中间层为聚乙烯醇和乙烯基胺-共聚-3-烯丙基-5,5-二甲基海因混合纺丝，发挥抗菌作用，最后将纺丝完成的三层纳米纤维膜置于戊二醛蒸汽中进行交联处理，得到最终的抗菌空气过滤材料。该方法仅利用纤维本身的抗菌作用，通过物理过滤杀菌、抑菌，并没有利用静电吸附效应，并且三层纳米纤维复合结构产生较大的压降会降低佩戴舒适性。总体来说，目前纳米纤维抗菌空气过滤材料普遍存在制备复杂，难以产业化应用，抗菌、抗病毒效果差，抗菌、抗病毒效果与静电过滤效果无法兼顾以及佩戴舒适性差等问题。

4、研究表明金属纳米颗粒抗病毒主要依靠其释放的金属离子与核酸和氨基酸上的硫、氧或氮等电子供体基团形成复合物，或直接与rna或dna分子结合，以降低逆转录病毒或前病毒的转录率。因此，如何保持金属纳米颗粒长效释放金属离子是保证材料具有高效抗病毒活性的关键。在金属合金材料中，具有不同电极电势的金属之间，可以形成电偶反应，产生电刺激的同时，可有效促进金属离子的释放。研究表明，金属电偶反应产生的电刺激、金属离子、活性氧物质以及电极附近ph的变化等可多机制协同发挥作用，具有很强的抗菌、抗病毒功能。

5、cn111729402a公开了一种电活性空气过滤材料及其制备方法，该方法在高分子纤维过滤基材的一侧表面上溅射有一层氧化材料，在高分子纤维过滤基材的另一表面溅射一层还原材料。使两者形成微电池，接触到水后会引发氧化还原反应，产生自主持续性放电，一方面起到静电吸附过滤微粒、细菌、病毒的作用，另一方面通过电刺激以及电刺激产生ag+、zn2+以及活性氧物质对细菌、病毒起到抑制作用。但是该方法通过在滤材表面构筑金属电极涂层，存在牢度欠佳，耐久性差的问题。此外，金属电极涂层分别分布于滤材的两个表面，接触率低，导致电偶放电反应效率不高，金属离子释放可控性差等问题。此外，该方法需要专用的溅射设备，耗时长，靶材利用率低，导致生产成本高。

6、现有的电活性空气过滤材料主要存在以下问题：

7、1.驻极纤维空气过滤材料电荷极易衰减，尤其是在高湿环境下，电荷损失严重，细菌、病毒拦截效果显著下降，耐用性差以及无法作为战略物资长期储存。

8、2.目前使用的压电纳米纤维滤材大多数为铅基压电陶瓷，含有毒物质，对人类身体和自然环境具有潜在危害；压电纳米纤维滤材的过滤性能易受机械变形的影响，当机械变形较小时，产生的电荷较少，导致过滤拦截性能不稳定。

9、3.目前报道的微电池滤材，主要采用溅射和印刷方法在材料表面镀电极或添加抗菌颗粒，电极的尺寸较大，不同金属电极间的有效接触面积小，无法形成微纳尺度电极对，电场分布区域不均匀，不利于电偶反应的高效作用；印刷或者溅射的金属微电池阵列存在金属电极粉末利用率低，成本高，且印刷粘合剂易导致放电反应不完全和化学毒性等问题，对材料的生物安全性造成不良影响。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，提供了一种纳米纤维电活性空气过滤材料、口罩及其制备方法，其接触水后会引发自主持续地放电反应，产生的电刺激可以增强静电吸附效应，提高过滤颗粒、细菌和病毒的效率。同时，放电反应产生的电刺激以及活性物质还可以进一步抑制细菌和病毒的增殖，并具有良好的生物安全性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，一种纳米纤维电活性空气过滤材料，通过溶液气流纺丝工艺制备而成，包括纤维基材，在纤维基材的纤维表面和/或内部负载具有不同电极电位的金属电极，所述金属电极在接触水分以后，引发电偶反应，产生持续自主的电刺激，提高静电吸附过滤效应，并通过放电反应产生的电刺激、金属离子、活性氧等抑制细菌、病毒的活性。

3、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料，含有不同电极电位金属电极的纤维可以是单丝结构、并列结构或皮芯结构。

4、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料，所述金属电极是微纳米金属颗粒，粒径在1-1000nm之间，含有的不同微纳米金属颗粒的电位差大于0.3v。

5、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料，所述微纳米金属颗粒是ca、al、mg、ti、zn、fe、cu、ag。

6、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)、将两种金属微纳米颗粒分别溶于溶质浓度为2.5-25％的聚合物溶液中，并加入分散剂，得到两种含不同金属颗粒的聚合物纺丝溶液；

8、(2)、在室温下，将上述溶液搅拌6-20小时，得到均匀的纺丝液并进行脱泡处理；

9、(3)、将上述溶液以一定速率通过高压气流牵伸的单独喷丝孔或并列喷丝孔或皮芯结构喷丝孔，进行纺丝，得到单丝结构或并列结构或皮芯结构纤维的电活性空气过滤材料。

10、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料的制备方法，步骤(3)中，喷丝孔溶液喷射流量为20-500μl/min，高速喷射气流与喷射纺丝液流的夹角为10-60°，高速气流的压强为0.05-2mpa，喷射距离为5-80cm，湿度控制在50％以下，纺丝所用的气氛为空气。

11、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料的制备方法，所述步骤(1)中的金属微纳米颗粒的质量分数为聚合物溶质质量的0.5-20％之间。

12、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料的制备方法，所述步骤(1)中的聚合物纺丝液的溶质可以是聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚芳硫醚砜、聚乳酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、醋酸纤维素、壳聚糖、海藻酸钠的单一或任意组合。

13、上述的纳米纤维电活性空气过滤材料的制备方法，步骤(1)中的分散剂可以是十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮，分散剂与溶质的质量比为0.01:1-0.1:1。

14、一种口罩，所述口罩中含有上述的一种纳米纤维电活性空气过滤材料作为核心过滤层。

15、本发明一种纳米纤维电活性空气过滤材料、口罩及其制备方法的有益效果是：

16、(1)不同电极电位的微纳米尺度金属电极颗粒被装载于纳米纤维中，既提高了纳米颗粒的负载牢度，又有利于相邻的金属电极在人体呼吸产生的湿气环境下，形成高效的电偶反应，产生电刺激，并实现金属离子的可控湿感释放，抗菌、抗病毒效率更高，更持久。

17、(2)可通过调控聚合物纺丝液种类、浓度以及金属纳米颗粒的种类、含量等控制纺丝液的流变性能，并结合喷丝孔结构、纺丝液喷射速度、气流强度以及夹角等控制纤维的细度以及卷曲度等，实现高过滤效率和低过滤阻力。

18、(3)制备的一种电活性纤维用作空气过滤材料时，人体呼吸产生的湿气可以激活电刺激反应，增强静电吸附效应，提高对微小颗粒、细菌、病毒的过滤效率；金属微电偶反应产生的电刺激、金属离子、活性氧等具有协同抗菌、抗病毒作用，并可以通过改变不同金属纳米颗粒的种类、含量以及电位差的大小，实现抗菌、抗病毒性能的调控。

19、(4)本发明方法制备的一种电活性纳米纤维空气过滤材料与印刷或溅射工艺相比，金属颗粒的用量显著减少，具有良好的生物安全性，且溶液喷射纺丝制备过程简单，易于产业化生产，具有广阔的社会效益和经济价值。