一种生物质基空气过滤材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种生物质基空气过滤材料及其制备方法和应用。所述生物质基空气过滤材料包括带电荷的生物质基微米纤维，通过阻隔吸附作用和静电吸附作用有效截留各种粒径的颗粒物，实现空气净化，可应用于空气过滤、吸附分离等领域，可作为过滤材料，如：口罩、功能性纱窗、空气过滤网等。相较于目前应用的聚烯烃类空气过滤材料，所述生物基空气过滤材料环境友好、可完全生物降解、无毒、无污染，而且原料来源于自然，具有储量大、可再生等特点。可再生等特点。可再生等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基空气过滤材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子加工和绿色化学领域，具体涉及一种生物质基空气过滤材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]空气过滤材料在用于阻断与空气传播相关的健康危害中具有重要的意义。随着环境污染的加剧，人们对于健康卫生的关注程度提高，空气过滤材料的材质也引起了广泛的重视。但是，目前大多数空气过滤材料为不可再生的石油基聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯或聚酯。这些不可降解的空气过滤材料在被遗弃后将造成巨大的环境压力。因此，开发有效、低成本、可降解的空气过滤材料成为迫切的需要。
[0003]可生物降解的合成高分子和天然高分子逐渐被应用于空气过滤材料的制备。其中，天然高分子来自于生物质资源，生物质资源具有储量大、可再生的优势，其作为一种能够与环境协调发展的资源，展现出巨大的应用优势。以生物质为原料制备的材料具有成本低、绿色环保、可生物降解、可持续发展的特点。
[0004]空气过滤材料主要通过布朗运动扩散、惯性碰撞、拦截沉积、重力作用和静电吸引沉积五种作用方式达到对微米级和亚微米级的颗粒物的过滤效果。但是，仅靠机械拦截作用难以达到过滤要求，利用静电吸附作用提升过滤材料的过滤效率十分关键。但是，生物质基的材料通常不带电荷，难以在空气过滤中发挥高效作用。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种带电荷的生物质基微米纤维，所述生物质基微米纤维的直径为0.5
‑
20μm，所述生物质基微米纤维至少表面带电荷。
[0006]根据本专利技术的实施方案，所述生物质基微米纤维可以为表面和内部均带电荷，也可以为表面带电荷。
[0007]根据本专利技术的实施方案，所述电荷可以为正电荷或负电荷。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述电荷至少在生物质基微米纤维表面均匀分布；进一步的，所述电荷在生物质基微米纤维表面和内部均匀分布。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述生物质基微米纤维的直径为3
‑
16μm；示例性为1μm、2μm、3μm、5μm、6μm、8μm、9μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述生物质基微米纤维中的生物质来源于下述物质中的一种、两种或更多种：纤维素或其衍生物、淀粉或其衍生物、壳聚糖或其衍生物、甲壳素、海藻酸盐、木质素、葡聚糖、半纤维素、秸秆、植物茎叶、芦苇、甘蔗渣、中药渣、茶叶渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝。示例性地，所述纤维素衍生物包括下述物质的一种或多种：羧甲基纤维素、纤维素乙酸酯、纤维素硝酸酯、纤维素乙酸丁酸酯、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素；示例性地，所述淀粉衍生物包括下述物质的一种：羧甲基淀粉；示例性地，所述壳聚糖衍生物包括下述物质的一种：羧甲基壳聚糖。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述纤维素选自微晶纤维素、棉浆粕、精制棉、脱脂棉、木浆粕、棉短绒、竹浆粕、草浆粕和细菌纤维素中的一种、两种或更多种。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述淀粉选自可溶性淀粉、支链淀粉、高直链淀粉、直链淀粉、绿豆淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、甘薯淀粉、菱角淀粉、莲藕淀粉、荸荠淀粉、玉米淀粉、太白粉、番薯粉、葛粉、木薯粉、椰子淀粉、水晶粉和生粉中的一种、两种或更多种。
[0013]根据本专利技术的实施方案，所述生物质基微米纤维可以为带正电荷的生物质基微米纤维。例如，所述带正电荷的生物质基微米纤维可以选自壳聚糖基微米纤维、甲壳素基微米纤维、含有季铵盐基团的多糖衍生物基微米纤维、含有咪唑盐基团的多糖衍生物基微米纤维、含有吡啶盐基团的多糖衍生物基微米纤维、表面季铵盐化的生物质基微米纤维、表面咪唑盐化的生物质基微米纤维和表面吡啶盐化的生物质基微米纤维中的一种、两种或更多种。
[0014]根据本专利技术的实施方案，所述生物质基微米纤维可以为带负电荷的生物质基微米纤维。例如所述带负电荷的生物质基微米纤维可以选自羧甲基纤维素基微米纤维、羧甲基淀粉基微米纤维、羧甲基壳聚糖基微米纤维、海藻酸盐基微米纤维、氧化纤维素基微米纤维、氧化淀粉基微米纤维、氧化壳聚糖基微米纤维、含有羧酸盐基团的多糖衍生物基微米纤维和表面羧酸化的生物质基微米纤维中的一种、两种或更多种。
[0015]本专利技术还提供上述带电荷的生物质基微米纤维的制备方法，所述制备方法选自下述五种制备方法中的任意一种：
[0016]方法一：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；所述生物质基微米纤维经驻极处理、电弧极化处理、氧化处理、表面季铵盐化修饰处理、表面羧酸化修饰处理中的至少一种方法进行处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；
[0017]方法二：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，向溶剂中加入氧化剂、含有季铵盐基团试剂和环酸酐试剂中的一种、两种或更多种试剂；形成的生物质分散液通过气流纺丝，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；
[0018]方法三：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；然后，所述生物质基微米纤维置于多糖/水的混合体系、多糖/羧酸/水的混合体系和/或多糖衍生物/水的混合体系中浸渍处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；
[0019]方法四：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；然后，所述生物质基微米纤维置于多糖/水的混合体系、多糖/羧酸/水混合体系和/或多糖衍生物/水的混合体系中浸渍处理；随后，再经无机酸溶液、羧酸溶液和/或无机盐溶液浸渍处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；
[0020]方法五：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，其中生物质至少包括羧甲基纤维素、羧甲基淀粉、羧甲基壳聚糖、氧化多糖、壳聚糖、甲壳素、海藻酸盐、含有季铵盐基团的多糖衍生物、含有咪唑盐基团的多糖衍生物、含有吡啶盐基团的多糖衍生物和含羧酸盐基团的多糖衍生物中的一种、两种或更多种；形成的生物质分散液通过气流纺丝，制备得到带电荷的生物质基微米纤维。
[0021]根据本专利技术的实施方案，方法一至方法四中，所述生物质选自纤维素或其衍生物、
淀粉、壳聚糖、甲壳素、木质素、葡聚糖、半纤维素、秸秆、植物茎叶、芦苇、甘蔗渣、中药渣、茶叶渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种、两种或更多种；所述纤维素衍生物例如选自纤维素乙酸酯、纤维素硝酸酯、纤维素乙酸丁酸酯、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙甲基纤维素中的一种、两种或更多种。
[0022]根据本专利技术的实施方案，所述方法一中，所述氧化处理可以选自下述任一种处理方法：
[0023]方法(1)包括：将所述生物质基微米纤维置于NaIO4水溶液中处理，而后向体系中加入H2O2继续反应。例如，NaIO4与生物质基微米纤维的质量比为(0.5
‑
5):1；例如，以NaIO4水溶液处理生物质基微米纤维时的温度为0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带电荷的生物质基微米纤维，其特征在于，所述生物质基微米纤维的直径为0.5
‑
20μm，所述生物质基微米纤维至少表面带电荷。2.根据权利要求1所述的带电荷的生物质基微米纤维，其特征在于，所述电荷为正电荷或负电荷。优选地，所述生物质基微米纤维的表面和内部均带电荷。优选地，所述生物质基微米纤维的直径为3
‑
16μm。优选地，所述生物质基微米纤维中的生物质来源于下述物质中的一种、两种或更多种：纤维素或其衍生物、淀粉或其衍生物、壳聚糖或其衍生物、甲壳素、海藻酸盐、木质素、葡聚糖、半纤维素、秸秆、植物茎叶、芦苇、甘蔗渣、中药渣、茶叶渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝。优选地，所述纤维素衍生物选自下述物质中的一种、两种或更多种：羧甲基纤维素、纤维素乙酸酯、纤维素硝酸酯、纤维素乙酸丁酸酯、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素。优选地，所述淀粉衍生物包括下述物质的一种：羧甲基淀粉；优选地，所述壳聚糖衍生物包括下述物质的一种：羧甲基壳聚糖。优选地，所述纤维素选自微晶纤维素、棉浆粕、精制棉、脱脂棉、木浆粕、棉短绒、竹浆粕、草浆粕和细菌纤维素中的一种、两种或更多种。优选地，所述淀粉选自可溶性淀粉、支链淀粉、高直链淀粉、直链淀粉、绿豆淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、甘薯淀粉、菱角淀粉、莲藕淀粉、荸荠淀粉、玉米淀粉、太白粉、番薯粉、葛粉、木薯粉、椰子淀粉、水晶粉和生粉中的一种、两种或更多种。3.根据权利要求1或2所述的带电荷的生物质基微米纤维，其特征在于，所述生物质基微米纤维为带正电荷的生物质基微米纤维。例如，所述带正电荷的生物质基微米纤维选自壳聚糖基微米纤维、甲壳素基微米纤维、含有季铵盐基团的多糖衍生物基微米纤维、含有咪唑盐基团的多糖衍生物基微米纤维、含有吡啶盐基团的多糖衍生物基微米纤维、表面季铵盐化的生物质基微米纤维、表面咪唑盐化的生物质基微米纤维和表面吡啶盐化的生物质基微米纤维中的一种、两种或更多种。优选地，所述生物质基微米纤维为带负电荷的生物质基微米纤维。例如，所述带负电荷的生物质基微米纤维选自羧甲基纤维素基微米纤维、羧甲基淀粉基微米纤维、羧甲基壳聚糖基微米纤维、海藻酸盐基微米纤维、氧化纤维素基微米纤维、氧化淀粉基微米纤维、氧化壳聚糖基微米纤维、含有羧酸盐基团的多糖衍生物基微米纤维和表面羧酸化的生物质基微米纤维中的一种、两种或更多种。4.权利要求1
‑
3任一项所述带电荷的生物质基微米纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法选自下述五种制备方法中的任意一种：方法一：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；所述生物质基微米纤维经驻极处理、电弧极化处理、氧化处理、表面季铵盐化修饰处理、表面羧酸化修饰处理中的至少一种方法进行处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；方法二：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，向溶剂中加入氧化剂、含有季铵盐基团试剂和环酸酐试剂中的一种、两种或更多种试剂；形成的生物质分散液通过气流纺丝，制备得
到带电荷的生物质基微米纤维；方法三：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；然后，所述生物质基微米纤维置于多糖/水的混合体系、多糖/羧酸/水的混合体系和/或多糖衍生物/水的混合体系中浸渍处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；方法四：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，形成的生物质分散液通过气流纺丝制得生物质基微米纤维；然后，所述生物质基微米纤维置于多糖/水的混合体系、多糖/羧酸/水混合体系和/或多糖衍生物/水的混合体系中浸渍处理；随后，再经无机酸溶液、羧酸溶液和/或无机盐溶液浸渍处理，制备得到带电荷的生物质基微米纤维；方法五：将生物质全部或部分溶解在溶剂中，其中生物质至少包括羧甲基纤维素、羧甲基淀粉、羧甲基壳聚糖、氧化多糖、壳聚糖、甲壳素、海藻酸盐、含有季铵盐基团的多糖衍生物、含有咪唑盐基团的多糖衍生物、含有吡啶盐基团的多糖衍生物和含羧酸盐基团的多糖衍生物中的一种、两种或更多种；形成的生物质分散液通过气流纺丝，制备得到带电荷的生物质基微米纤维。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，方法一至方法四中，所述生物质选自纤维素或其衍生物、淀粉、壳聚糖、甲壳素、木质素、葡聚糖、半纤维素、秸秆、植物茎叶、芦苇、甘蔗渣、中药渣、茶叶渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种、两种或更多种；优选地，所述纤维素衍生物选自纤维素乙酸酯、纤维素硝酸酯、纤维素乙酸丁酸酯、甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙甲基纤维素中的一种、两种或更多种。优选地，所述方法一中，所述氧化处理选自下述任一种处理方法：方法(1)包括：将所述生物质基微米纤维置于NaIO4水溶液中处理，而后向体系中加入H2O2继续反应；方法(2)包括：将所述生物质基微米纤维置于NaNO2/HNO3或KMnO4水溶液中氧化处理；方法(3)包括：将所述生物质基微米纤维置于TEMPO/N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金明，李锦阳，夏钲豪，张军，武进，米勤勇，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：