CN112169763B - 一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，由如下重量份的原料制备得到：聚乙烯醇20份，木质素2‑10份，氢氧化钾0.2‑0.5份，水80份；其制备方法为：一，将聚乙烯醇、木质素按比例与水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；二，慢慢加入氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温105℃；三，在105℃下蒸发水份直至溶液成为凝胶；四，将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；五，将复合材料于微波反应器中700℃氮气氛围下炭化；六：将微波炭化物气流粉碎至粒径小于2um即可；得到的纳米多孔吸附材料粒径及孔径均匀，比表面积大，吸附能力强，制备过程清洁，低碳环保，生产效率高，易于实现工业化。

Description

一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料及其制备方法。
背景技术：
2020年爆发的新型冠状病毒是以飞沫核的形式通过粘膜感染，空气传播的方式进行；84％飞沫核的直径集中在0.74-2.12um范围；这部分飞沫核可以通过口罩材料中拥有的复杂纤维结构有效吸附，而更小的纳米级病毒颗粒由复杂纤维结构之间的静电效应锁定在纤维间，现有普通外科手术口罩不仅只能阻隔90％以上的5um颗粒物，而且最多只能使用4h，4h后必须废弃处理，不可再使用，因此，开发一种能够增强口罩吸附能力和延长口罩使用时间的吸附材料十分有必要。
木质素是一种富含苯环、共轭结构，具有抗菌、抗氧化以及防紫外等属性的天然高分子材料，可再生，且含炭量高达60％以上；工业木质素主要来源于造纸工业，全球每年因制浆造纸产生的工业木质素有5000万吨，其中只有大约10％的工业木质素得到有效的利用，大部分被作为一种低值燃料进行燃烧或者直接排放，这不仅造成资源的大量浪费，同时还造成严重的环境污染；用工业木质素来制备具有高吸附能力的生物质基纳米多孔炭吸附材料不仅能增强现有普通外科手术口罩对病毒的阻隔性、延长现有普通外科手术口罩的使用时间，为严峻的新冠肺炎疫情防控事业贡献一份力量，还能为工业木质素的高值化应用开拓一条新途径，具有十分重要的社会经济意义；因此，对工业木质素进行高值化利用具有重大的经济、环境与社会意义。
发明内容：
本发明的目的在于解决上述提到的问题，提供一种能够增强口罩吸附能力和延长口罩使用时间的病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料及其制备方法。
本发明采用如下技术方案实现其发明目的：一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，由如下重量份的原料制备得到：聚乙烯醇20份，酸木质素2-10份，氢氧化钾0.2-0.5份，水80份。
优选的，所述聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为88％。
优选的，所述木质素为酸木质素。
进一步的，该病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将聚乙烯醇、木质素按比例与水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；
步骤二：慢慢加入氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃；
步骤三：在105℃温度下蒸发掉水份直至溶液成为凝胶；
步骤四：将步骤三中的凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；
步骤五：将步骤四中得到的复合材料于微波反应器中700℃高温、氮气氛围下炭化；
步骤六：将微波炭化物通过气流多级粉碎法粉碎至粒径小于2um即得到纳米多孔吸附材料。
优选的，所述冷冻干燥过程的冷冻温度为-10℃，升华温度为-20℃。
与相关技术相比，本发明提供的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料及其制备方法具有如下优点：一、聚乙烯醇能够形成凝胶，使得到木质素和氢氧化钾能够均匀分布，避免重力的缘故导致木质素与氢氧化钾在后续工艺中分层，很好地保证了纳米多孔吸附材料粒径及孔径的均匀度；二、醇解度为88％的聚乙烯醇在水中的溶解速度快，有助于生产效率的提高；三、所用木质素为酸木质素，因为碱木质素的碱性很强，会使聚乙烯醇的溶解困难，而酸木质素测不会影响聚乙烯醇的溶解性；四、使用的干燥方法为冷冻干燥法，冷冻干燥法可以保持干燥对象原始的结构和形貌，冷冻干燥法解决了传统干燥法在干燥过程中因氢氧化钾易沉降、氢氧化钾结晶颗粒过大、干燥后溶质团聚严重而导致多孔炭吸附材料粒径偏大、微孔孔径难达纳米级且孔径大小分布不均的问题；五、使用的炭化方法为微波炭化，微波加热能够保证受热对象内部和外表受热均匀且不被烧结，该法解决了传统马弗炉煅烧过程因受热对象内外受热不均匀、易烧结而导致微孔大小不一，产物后期粉碎困难的问题；六、对微波炭化物进行气流粉碎，这是因为相对球磨法，气流多级粉碎法效率高、效果好、对微孔的破坏作用小，能够得到粒径达到纳米级的粒径分布均匀的吸附材料；本发明在整个生产过程中无“三废”产生，对环境不会产生任何污染，本发明制得到的纳米多孔吸附材料粒径及孔径均匀，比表面积大，吸附能力强，制备过程清洁，低碳环保，生产效率高，易于实现工业化。
附图说明：
附图1是本发明所述的的纳米多孔吸附材料的制备方法原理图。
具体实施方式：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得到其他的附图，下面结合附图对发明内容作进一步说明：
实施例1：
将20g聚乙烯醇、5g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.2g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例2：
将20g聚乙烯醇、10g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.3g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例3：
将20g聚乙烯醇、2g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.5g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例4：
将2g木质素与80g水混合，然后慢慢加入0.5g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，将溶液冷冻干燥，得到木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例5：
将20g聚乙烯醇、10g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.3g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶真空干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例6：
将20g聚乙烯醇、5g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.2g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于箱式炉中700℃、氮气氛围下炭化后，于气流粉碎机中粉碎至粒径小于2um即可。
实施例7：
将20g聚乙烯醇、10g木质素与80g水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；然后慢慢加入0.3g氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃蒸发水份直至溶液成为凝胶；将凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；将复合材料于微波反应器中700℃、氮气氛围下炭化后，球磨粉碎至粒径小于2um即可。
对实施例1-7分别制得的纳米多孔吸附材料进行粒径、粒径分布及比表面积，结果如下表所示，从下表可知，实施例1-3相较于实施例4-7，具有更小的粒径、更窄的粒径分布、更大的比表面积；说明本发明的纳米多孔吸附材料及其制备方法很好地解决了现有吸附材料吸附能力不够、吸附量小的问题，是一种能够增强口罩吸附能力和延长口罩使用时间的优良吸附材料。
实施例 D50(um) 粒径分布 <![CDATA[比表面积(m<sup>2</sup>/g)]]>
实施例1 0.56 11.2 2291
实施例2 0.52 12.5 2186
实施例3 0.60 12.1 2365
实施例4 0.72 13.4 1462
实施例5 0.67 13.0 1763
实施例6 0.64 13.8 1811
实施例7 3.8 26.7 1342
很显然，能够对上述的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料以及相应的制备方法进行部件的修改和/或增加，而不脱离本发明的领域和范围。
同样清楚的是，虽然本发明已对该一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料进行详细描述，本领域的技术人员必定能够获得许多一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料的其它等效形式的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料和相应的制备方法，该一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料和相应的制备方法具有如权利要求所述的特征，因此都位于由此限定的保护领域范围内。

Claims (5)

1.一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，其特征在于：由如下重量份的原料制备得到：聚乙烯醇20份，木质素2-10份，氢氧化钾0 .2-0 .5份，水80份；
该纳米多孔吸附材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将聚乙烯醇、木质素按比例与水混合，边搅拌边升温，升温至95℃后继续搅拌直至聚乙烯醇完全溶解；
步骤二：慢慢加入氢氧化钾固体，待氢氧化钾固体加完并完全溶解后，升温至105℃；
步骤三：在105℃温度下蒸发掉水份直至溶液成为凝胶；
步骤四：将步骤三中的凝胶冷冻干燥，得到聚乙烯醇木质素氢氧化钾复合材料；
步骤五：将步骤四中得到的复合材料于微波反应器中700℃高温、氮气氛围下炭化；
步骤六：将微波炭化物通过气流多级粉碎法粉碎至粒径小于2μm即得到纳米多孔吸附材料。
2.根据权利要求1所述的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为88％。
3.根据权利要求1所述的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，其特征在于：所述木质素为酸木质素。
4.根据权利要求1所述的一种病毒防护口罩用的纳米多孔吸附材料，其特征在于：步骤四中所述凝胶冷冻干燥过程的冷冻温度为-10℃，升华温度为-20℃。
5.一种口罩，其特征在于：由权利要求1或4所述的纳米多孔吸附材料制成。
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