一种纳米纤维素复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米纤维素复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术将水溶性铈盐、水溶性碱和细菌纤维素膜于水中进行微波反应，得到负载氧化铈纳米颗粒的细菌纤维素膜，即得纳米纤维素复合材料。本发明专利技术制得的纳米纤维素复合材料不仅保证了CeO2NPs的分散性和稳定性，增强了其生物防护性能和机械强度，而且以纤维直径只有4nm左右和富含亲水基团的细菌纤维素作为载体，使其过滤性和透气性更好，易于回收、处理和实现重复利用，另外，原料成本低廉，合成方法简单，易于工业化生产，利用该纳米纤维素复合材料生产的纳米口罩具备表面过滤功能优异、阻隔效率高、抗菌效果好、使用材料薄、透气性能好、成本低廉、环保等特点。环保等特点。环保等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米纤维素复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]普通医用口罩的结构一般分为三层：外层S(防水)、中间层M(过滤)和内层S(吸水)，中间层M是其起到防护作用的关键，该层为熔喷无纺布过滤层，一般是由许多丛横交错的聚丙烯纤维以随机方向层叠而成的膜。纤维尺寸对防止细菌、血液渗透起至关重要的作用，因为纤维的直径越小，比表面积就越大，孔隙结构越精细复杂，从而过滤性能就越好。目前熔喷层纤维直径的范围在0.5微米
‑
10微米之间，极端条件下最好的也在0.2微米左右，这致使普通医用口罩仅能阻挡直径>3微米的细菌气溶胶颗粒。熔喷无纺布过滤层除通过纤维空隙起到“筛”的作用来实现对飞沫等的过滤外，还能利用静电吸引来实现对颗粒产生静电粘附。但是，静电并不是始终处于饱和的状态，口罩从生产再到消费者手中使用，每一个环节都会使熔喷无纺布过滤层中的静电含量逐步减少，静电的衰减导致了熔喷无纺布口罩防护效能的下降；而且随着人体呼吸和佩戴时间的增长，口罩逐渐受潮，其静电吸附能力减弱，隔离效果逐渐变差。目前绝大多数的口罩又不具有抗菌和抗病毒等特殊性能。这些导致口罩对小颗粒细菌、病毒等(如平均直径约100nm的2019新型冠状病毒)无法实现长久有效的隔离防护。
[0003]此外，口罩属于一次性消耗品，对熔喷无纺布的需求量大，导致其原材料价格一涨再涨；另外，无纺布的生产需要一套设备来完成，流程复杂、扩产难度大且耗时长，外加价格昂贵，一台进口的无纺布设备价格都是上亿元。
[0004]因此，研究开发一种纤维直径更小、抗菌效果好且成本低廉的纤维复合材料十分有意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供一种纳米纤维素复合材料及其制备方法与应用，旨在使纳米纤维素复合材料的纤维直径更小，抗菌效果好，成本低廉，应用于替代传统的熔喷无纺布来制备口罩能获得更好的隔离效果。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种纳米纤维素复合材料的制备方法，包括以下步骤：将水溶性铈盐、水溶性碱和细菌纤维素膜于水中进行微波反应，得到负载氧化铈纳米颗粒(CeO
2 NPs)的细菌纤维素膜，即得所述纳米纤维素复合材料(BC@CeO
2 NPs)。
[0007]与植物纤维素相比，BC(细菌纤维素)是不含任何杂质的天然纤维素，没有半纤维素、木质素等杂质，以100％的纤维素形式存在。BC膜具有由直径4nm左右的纤维相互交织形成网状连通、孔镶套、孔道弯曲的超精细三维结构，相比传统的熔喷无纺布，孔隙率高、机械强度和过滤效果好。另外，BC分子内具有大量的亲水基团，因此具有非常好的透气和透水性能。
[0008]CeO
2 NPs具有多种优点，
①
CeO
2 NPs独特的抗菌机制具有可逆价态转化的优势，且
无需外部激活或辅助工具。由于表面氧空位的存在以及Ce
3+
和Ce
4+
之间的可逆转换，因此CeO
2 NPs具有特殊的储放氧性质，可释放大量的ROS(活性氧物质，Reactive Oxygen Species)，如
·
OH、1O2和O2·
‑
，极其活跃且具有强氧化能力的ROS能在短时间内破坏细胞和基因结构，降解微生物中的多种有机成分包括DNA、RNA和蛋白质，从而达到抗菌和抗病毒的目的，而其他纳米颗粒如ZnO、TiO2等只能产生一种ROS(O2·
‑
)，且需要在紫外线辅助的条件下。另外，CeO
2 NPs可通过静电吸附的方式吸附在细菌膜表面，以与生物分子相互作用，干扰细胞呼吸、DNA复制、细胞分裂，增加细菌膜的比表面积等，从而将细菌杀死。
②
CeO
2 NPs使用寿命长，可以长时间保持高效率。除了可控产生的ROS能高效持久地杀菌外，CeO
2 NPs释放微量的金属离子穿透细胞壁进入细胞内，并与巯基(
‑
SH)反应，使蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性，细胞丧失分裂繁殖能力而死亡。金属离子还能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统。当菌体失去活性后，金属离子又会从菌体中游离出来，重复进行杀菌活动，因此其抗菌效果持久。
③
CeO
2 NPs的生物安全性高。纳米材料的生物安全性和其与生物体相互作用的机制是推动实际应用的关键。大量的研究表明CeO
2 NPs毒性相对较低。而其他纳米金属颗粒如纳米银，虽然具有广谱和高效抗菌性而备受关注，但是相对表现出来的高毒性(即使低剂量)限制了它们在保健领域的进一步应用。
④
CeO
2 NPs资源丰富，价格相对低廉。在所有17种稀土元素种，铈具有最高的自然丰度(66.5ppm)，甚至高于铜(60ppm)和锡(2.33ppm)。
[0009]以上这些充分的证明了CeO
2 NPs在抗菌领域的巨大潜力，但在充分发挥其潜力之前还需要做更多的工作，首先保持CeO
2 NPs的稳定性是其有效应用于抗菌领域的最大挑战。这种稳定性至关重要因为它将决定这些纳米材料与生物实体的相互作用、抗菌活性、效果以及作用机理。专利技术人发现通过一步微波合成法能将具有高效抗菌性能的CeO
2 NPs稳定地在BC表面富集的
‑
OH官能团上成核和生长，制备得到的纳米纤维素复合材料能够确保CeO
2 NPs高效性的同时维持其稳定性。该纳米纤维素复合材料不仅可以结合细菌纤维素和CeO
2 NPs的优势，保证CeO
2 NPs的分散性和稳定性，增强其生物防护性能和机械强度，而且可以通过纳米材料本身的自清洁性能使BC@CeO
2 NPs复合纳米膜易于回收和处理，实现重复利用。
[0010]另外，微波辅助溶液法去合成纳米材料可以提供额外的优势：
①
快速体积加热、缩短反应时间、提高合成效率；
②
微波合成中反应物的均匀加热，克服了水热容器加热不均匀的缺点，这使溶液中的热梯度最小化并提供均匀的成核和生长条件，纳米材料的形成一体化而具有均匀的尺寸分布；
③
通过不同的微波反应参数可调控合成材料的尺寸、形貌、结构等；
④
微波加热安全、卫生、对环境无污染，符合现代社会的绿色可持续发展。
[0011]优选地，所述微波反应的反应温度为60
‑
150℃，反应时间为3
‑
5min，升温时间为0.5～5min，所述水溶性铈盐在所述水中的摩尔浓度为0.013～0.041mol/L，所述水溶性铈盐与所述水溶性碱的摩尔比为0.6:1～40:1，所述水溶性铈盐与所述细菌纤维素膜的质量比为0.29:1～0.91:1。
[0012]更优选地，所述微波反应的反应温度为150℃，反应时间为3min，升温时间为1mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将水溶性铈盐、水溶性碱和细菌纤维素膜于水中进行微波反应，得到负载氧化铈纳米颗粒的细菌纤维素膜，即得所述纳米纤维素复合材料。2.如权利要求1所述的纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波反应的反应温度为60
‑
150℃，反应时间为3
‑
5min，升温时间为0.5～5min，所述水溶性铈盐在所述水中的摩尔浓度为0.013～0.041mol/L，所述水溶性铈盐与所述水溶性碱的摩尔比为0.6:1～40:1，所述水溶性铈盐与所述细菌纤维素膜的质量比为0.29:1～0.91:1。3.如权利要求2所述的纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波反应的反应温度为150℃，反应时间为3min，升温时间为1min，所述水溶性铈盐与所述水溶性碱的摩尔比为0.99:1。4.如权利要求1所述的纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述水溶性铈盐为硝酸铈，所述水溶性碱为一水合氨。5.如权利要求1所述的纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素膜的制备方法包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴菲，杨惠玲，周洁莹，张旭，居世杰，郭东东，唐洁，曾牡玲，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：