[发明专利]一种氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及过滤材料领域，具体涉及一种氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料及其制备方法。

背景技术

随着我国工业化进程的不断推进，环境污染问题日益突出，尤其是空气污染问题已经严重影响到人们的生活和健康。突出的环境问题使得人们对空气污染的防护意识日渐加强，空气净化器和颗粒物防护口罩的应用日益广泛，研究开发新型高效的空气过滤材料成为科研关注的热点。

目前市场上已有的室内空气过滤材料主要有纤维毡、过滤膜和多孔陶瓷材料，其主要用于过滤、吸收室内空气中的微生物、颗粒物和有害气体等。其中，由玻璃丝和活性炭复合制备的纤维毡过滤材料因其体积小、重量轻、过滤效率高被广为使用。但这种过滤材料存在一些难以解决的问题：(1)由于孔径一定，因此需要多层不同孔径的毡片复合以实现对不同粒径污染物的阻隔；(2)该材料使用玻璃丝与活性炭复合吸附空气中的有害气体，这种镶嵌式的复合方式减小了活性炭的比表面积，降低了有限的吸附容量；(3)达到使用寿命而被替换的过滤材料含有大量污染物无法回收利用，其被丢弃后不可环境降解，造成了环境的二次污染。

明胶是动物组织中胶原部分水解的产物，其来源广泛，环境友好可降解，且明胶分子具有大量活性基团，能够一定程度上吸附空气中的有害气体，因此将明胶用于制备空气过滤材料具有其特有的优势。但因明胶材料机械强度差、耐水性差且难以形成有规则的孔道结构，使得明胶在空气过滤材料领域的应用受到限制。研究发现，使用交联改性和纳米粒子填充改性等方法可以显著改善明胶基材料的机械性能、阻水性能等。采用定向冷冻的方法制备的明胶基材料具有梯度直通孔结构，通过改变冷冻条件调节孔径大小可以实现一层材料的分级过滤，避免了孔在短时间内被堵塞，提高了过滤效率。

本发明以氨基化明胶和纳米二氧化硅为原料制备了一种氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料。将氨基改性后的明胶与纳米二氧化硅微球混合，加入少量双醛交联剂，通过定向冷冻方法，在形成直通孔径的同时进行交联反应，得到具有良好过滤和吸附性能的空气过滤材料。制备材料中使用的明胶经氨基化改性后对于甲醛的吸附量可以提高一倍以上。添加的纳米二氧化硅微球在定向冷冻过程中位于固液界面处，有助于形成垂直于凝固方向的二级不稳态，可以增加多孔材料中直通孔的长度。此外，嵌入氨基化明胶的纳米二氧化硅还可以增强材料的机械强度，提高材料的吸附效率。

发明内容

为了制备具有直通孔径和高吸附效率的明胶基纳米空气过滤材料，本发明将明胶氨基化得到具有阳离子性质的氨基化明胶，提高明胶吸附甲醛、甲醇等有害气体以及空气中微生物的能力，加入纳米二氧化硅微球提高机械强度，通过定向冷冻的方法制成了具有直通孔的氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料。

本发明提供一种复合空气过滤材料，其制备方法如下：

(1) 配制1体积份pH值为5质量浓度为1%~5%的明胶磷酸缓冲溶液，加入明胶干重2~5倍的氨基供给试剂，再用5mol/L的盐酸溶液调节上述缓冲溶液的pH值为5，然后加入占明胶干重30%~50%的1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二亚胺盐并使用pH为5的磷酸缓冲溶液定容至2体积份，在30~40℃条件下反应4~48小时后，将混合液透析3~5天，冷冻干燥得到氨基化明胶；

(2) 配制质量浓度为1%~10%的氨基化明胶水溶液，在快速搅拌下加入占明胶干重10%~50%的纳米二氧化硅微球，40℃条件下搅拌1~2小时，然后加入占明胶干重1%~10%的交联剂，继续在40℃条件下搅拌0.5~2小时，之后将混合液倒入模具中在室温下静置1~3小时，得到氨基化明胶/纳米二氧化硅混合溶液；

(3) 将装有氨基化明胶/纳米二氧化硅混合溶液的模具底部置于液氮中定向冷冻2~10分钟，之后将冷冻的样品在-20℃条件下放置1~4天，接着将模具底部置于5~30℃水浴池上1~10分钟，然后再一次将模具底部置于液氮中定向冷冻2~10分钟，之后在-20℃条件下放置1~4天，最后冷冻干燥得到氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料。

在上述技术案中所述的氨基化改性的明胶制备过程中使用的氨基供给试剂为1,2-乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、1,3-丙二胺、1,6-己二胺和精胺盐酸盐中的任意一种或几种的混合物。

在上述技术案中所述的氨基化明胶/纳米二氧化硅复合空气过滤材料制备过程中使用的交联剂为双醛黄原胶、双醛淀粉、双醛羧甲基纤维素、双醛普鲁兰多糖、双醛海藻酸钠、双醛威兰胶、双醛瓜尔胶、乙二醛、戊二醛和双醛聚乙二醇中的任意一种或几种的混合物。