專利名稱：抗菌多孔基材及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抗菌空氣過(guò)濾器、其制備方法和使用方法。
背景技術(shù)：
人類常常在生存環(huán)境中被微生物例如細(xì)菌、霉菌、酵母菌、病毒及其它感染性試劑 所感染。在尋找抗菌材料方面的研究工作正在深入進(jìn)行，所述抗菌材料包括各種天然和無(wú) 機(jī)物質(zhì)，例如茶提取物、殼聚糖、銀、銅、鋅，還有許多其它的物質(zhì)。已經(jīng)知道，銀具有抗菌活 性。銀可以有效抵御超過(guò)650種的細(xì)菌菌株。銀的抗菌活性取決于銀陽(yáng)離子(Ag+)，其可以 與含有硫、氧或氮的生物分子上的電子供體基團(tuán)強(qiáng)烈地結(jié)合。銀離子通過(guò)置換其它主要金 屬離子例如Ca2+或Zn+來(lái)起作用。人們普遍認(rèn)為，重金屬與蛋白反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白的失活。人 們還普遍相信，重金屬通過(guò)結(jié)合(combing)酶的-SH基團(tuán)而與蛋白反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白的失活。目前正在深入研究納米顆粒的用途，并提出了一些涂覆方法和表面處理方法。通 常，合成具有納米范圍粒徑的材料需要特殊技術(shù)。此外，為了獲得含有納米顆粒的材料，需 要非常規(guī)的方法，這是由于大部分形成技術(shù)的能源消耗量很大。已經(jīng)使用了許多物理和化 學(xué)方法，例如真空沉積，分子束外延，濺射，激光輔助的真空燒蝕，化學(xué)氣相沉積。這些技術(shù) 需要專業(yè)的設(shè)備，并且需要在很高的溫度下進(jìn)行。為了形成納米顆粒材料，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些低溫方法和工藝。例如，離子植入方法， 離子束輔助沉積方法(IBAD)和磁控濺射方法，這些方法都需要很高的初始投資，維護(hù)和操 作成本很高，并且需要非常專門的操作技能。已經(jīng)介紹了較簡(jiǎn)單的方法，例如無(wú)電電鍍和浸 染(padding)或輥軋方法，然而，這些方法的沉積率較低，產(chǎn)生較多的納米顆粒淤渣浪費(fèi)， 并且納米顆粒的粘附力低，有容易脫落的傾向。對(duì)于施加薄膜，旋涂已經(jīng)使用了幾十年，并且現(xiàn)在用于納米顆粒的沉積。向心加速 度會(huì)引起樹(shù)脂蔓延到基材的邊緣，并最終脫離基材的邊緣，在表面上留下樹(shù)脂的薄膜。旋涂 的困難之一是再現(xiàn)性。限定旋轉(zhuǎn)工藝的參數(shù)的微小變化可以導(dǎo)致涂膜的急劇改變。旋涂引 發(fā)的其它困難包括沉積率較低，這導(dǎo)致納米顆粒的更大浪費(fèi)(最多可達(dá)到98%)，工藝所涉 及的化學(xué)試劑是危險(xiǎn)品，并且納米顆粒的粘附力低，產(chǎn)生容易脫落的傾向。在最近幾年，越來(lái)越多的科學(xué)證據(jù)表明，即使在最大和最工業(yè)化的城市中，房間、 辦公室、商業(yè)建筑和汽車內(nèi)的空氣比室外空氣的污染更嚴(yán)重。其它研究工作表明，人們大約 90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的。由此，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，由于接觸空氣污染，在室內(nèi)比在戶外對(duì) 健康造成的危險(xiǎn)可能更大。有機(jī)官能化硅烷技術(shù)已經(jīng)用于處理表面，例如衣服，以便賦予它們抗菌性能。本發(fā)明試圖至少部分地克服現(xiàn)有方法的一些上述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在整個(gè)文件中，除非有與此相反的陳述，否則應(yīng)該將術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”等等理解 為非窮盡性的列舉，或換句話說(shuō)，是指“包括但不限于”。
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按照本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了制備用作過(guò)濾器的抗菌基材的方法，其包括下 列步驟將多孔材料浸泡在銀納米顆粒膠體中；用硅烷季銨聚合物涂覆已經(jīng)嵌入銀納米顆 粒的多孔材料，這樣可以降低銀納米顆粒的損失。不希望被任何理論所束縛，顆粒與細(xì)菌的結(jié)合可能取決于可獲得的相互作用的表 面積。與更大的顆粒相比，具有可獲得的用于相互作用的更大表面積的更小顆粒具有更強(qiáng) 的抗菌效果。用非常低的初始投資就可以有成本效益地實(shí)現(xiàn)這種新方法，并且維護(hù)和操作成本 很便宜。進(jìn)一步的，該方法是非常簡(jiǎn)單的工藝，具有相對(duì)低水平的技術(shù)專長(zhǎng)的人就可以在環(huán) 境條件下進(jìn)行該方法。由于在銀納米顆粒嵌入步驟期間，在環(huán)境條件下使用純銀納米溶膠 (不使用任何其它化學(xué)試劑)，可以回收任何未使用的銀納米溶膠，進(jìn)行重新使用。這可以 降低銀納米溶膠的消耗量。該工藝可以提供銀納米顆粒的良好的粘附力和均勻性。聚合物 涂層可以保持銀納米顆粒在初始沉積的狀態(tài)，這就可以降低銀納米顆粒從過(guò)濾器基材中浸 出。進(jìn)一步的，該工藝非常清潔，這是由于只產(chǎn)生很少的廢淤渣。該方法可以進(jìn)一步包括用試劑例如氫氯酸或硝酸或硫酸或臭氧或UV刻蝕多孔材 料的表面的步驟，和/或，用丙酮或醇洗滌多孔材料的預(yù)處理步驟，和/或，干燥抗菌基材的步驟。按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用作過(guò)濾器的抗菌基材，過(guò)濾器包括嵌入了銀 納米顆粒的多孔材料，所述多孔材料具有硅烷季銨聚合物涂層。按照本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了包括抗菌過(guò)濾器的空氣處理裝置，所述抗菌過(guò) 濾器包括嵌入了銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的多孔材料。該裝置可以進(jìn)一步包括除臭劑和/或空氣清新劑或香料筒


參考下列附圖來(lái)以實(shí)施例的方式描述本發(fā)明，其中圖1是按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施方案的制備用作過(guò)濾器的抗菌基材的方法的流程 圖。圖2顯示了有機(jī)官能化硅烷共價(jià)鍵對(duì)所處理表面的作用。圖3顯示了與多孔材料表面結(jié)合的硅烷季銨的高分子化學(xué)。圖4顯示了與表面永久鍵合的硅烷季銨聚合物即使在洗滌后對(duì)銀納米顆粒的浸 出試驗(yàn)的效果。圖5是結(jié)合了抗菌過(guò)濾器的空氣處理裝置的側(cè)視圖，其中抗菌過(guò)濾器包括嵌入了 銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的多孔材料。圖6是結(jié)合了抗菌過(guò)濾器的空氣處理裝置的平面視圖，其中抗菌過(guò)濾器包括嵌入 了銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的多孔材料。圖7是結(jié)合了抗菌過(guò)濾器的空氣處理裝置的剖面視圖，其中抗菌過(guò)濾器包括嵌入 了銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的多孔材料。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了納米化的銀顆粒在空氣過(guò)濾中用于額外消毒的用途。銀納米顆粒具
4有IOOnm或更小的直徑。另外，納米大小的銀對(duì)氧是高靈敏度的，導(dǎo)致形成帶有化學(xué)吸附的 銀離子的部分氧化的銀，這會(huì)對(duì)銀的滅菌性能具有額外的貢獻(xiàn)。納米化的銀可用于安全和 有效地抑制細(xì)菌、霉菌和真菌的生長(zhǎng)。按照本發(fā)明，將銀納米顆粒涂覆在相對(duì)高表面積的過(guò)濾材料上(專用材料，由金 屬泡沫或聚氨酯或聚酯或無(wú)紡紙制成)。由金屬泡沫或聚氨酯或聚酯或無(wú)紡紙制成的材料 (其具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并且具有高孔隙度和高比表面積，具有相當(dāng)和均勻的強(qiáng)度和韌性) 適合于用作銀納米顆粒涂覆的過(guò)濾器。參照?qǐng)D1，將銀納米顆粒涂覆在過(guò)濾器基材(例如，泡沫鎳)上。首先使用丙酮和 鹽酸進(jìn)行預(yù)處理工藝，進(jìn)行過(guò)濾器基材的表面清潔和進(jìn)一步的刻蝕。這對(duì)于在過(guò)濾器基材 上形成粘附銀涂層是有利的。將泡沫鎳基材浸在丙酮中，以便從表面除去油脂，然后空氣干 燥。經(jīng)過(guò)該過(guò)程之后，將泡沫鎳基材浸在3M HCl中20分鐘(在25°C )，以便除去任何氧化 層，并刻蝕泡沫鎳表面。為了產(chǎn)生“超凈的平滑層”，以使納米銀容易涂覆到其上面，用鹽酸“刻蝕”過(guò)濾器 基材，例如，泡沫鎳，以便除去鎳表面上的氧化層和/或任何反應(yīng)性的化學(xué)試劑。另外，這種 過(guò)程還會(huì)改善涂層粘附性和均勻性，以防止納米銀涂覆的所述基材(例如，泡沫鎳)表面的 “剝離效果”。預(yù)處理之后，用去離子水沖洗泡沫鎳基材，以便在進(jìn)一步使用之前除去化學(xué)試劑。 然后將預(yù)處理的基材浸漬在膠體銀溶膠溶液中，該溶液優(yōu)選含有大約0. 1至大約IOg/升的 銀納米顆粒，并在室溫下保持，優(yōu)選過(guò)夜。這將導(dǎo)致飽和涂覆。接觸時(shí)間較短可能導(dǎo)致部分 涂覆。然后用水沖洗所得到的經(jīng)過(guò)涂覆的泡沫鎳一或多次，優(yōu)選用去離子水，以便除去任何 未涂覆的銀顆粒，并進(jìn)行空氣干燥。用作為活性抗菌劑的硅烷季胺化合物，例如1，3-二癸基-2-甲基-咪唑啉氯化 物，和作為將所述活性抗菌劑結(jié)合到涂覆表面的粘附劑的二甲基、甲基(聚環(huán)氧乙烷)硅氧 烷類的基于硅烷的有機(jī)硅烷聚合物，涂覆所述基材。然后，抗菌聚合物涂層可以保持固定和 持久。在濕式加工過(guò)程的單一階段通過(guò)噴涂，將涂層施加在嵌入銀納米顆粒的泡沫鎳的表 面上，與表面粘附的這種技術(shù)包含兩個(gè)意義。第一個(gè)且最主要的意義是過(guò)程非常迅速，該過(guò) 程用陽(yáng)離子物種將過(guò)濾器涂覆(物理吸附)一個(gè)分子厚度。這是離子交換過(guò)程，通過(guò)這種 過(guò)程，硅烷季胺化合物的陽(yáng)離子取代過(guò)濾器表面上的水或化學(xué)試劑中的質(zhì)子。第二個(gè)意義 是材料的獨(dú)特性，例如硅烷季胺化合物。在這種情況下，硅烷醇使得與能接納的表面出現(xiàn)共 價(jià)結(jié)合(化學(xué)吸附)。然后，與基材的這種鍵合通過(guò)硅烷醇官能團(tuán)而變得更加堅(jiān)固，這樣就 能夠使它們均聚。上述物質(zhì)用這樣的方式涂覆表面之后，它們變得幾乎無(wú)法移動(dòng)，即使在不 能與它們發(fā)生共價(jià)反應(yīng)的表面上(圖2)。結(jié)合到過(guò)濾器的表面上的硅烷季銨聚合物)的加入，通過(guò)降低銀納米顆粒的浸出 所造成的損失，增強(qiáng)了銀納米顆粒的抗菌功能。硅烷季銨聚合物的有機(jī)官能化硅烷保持附 著在基材上，能夠殺死接觸基材表面的微生物，其中該技術(shù)實(shí)際上是與基材聚合，使得表面 具有抗菌性。一旦發(fā)生聚合，這種處理不會(huì)移動(dòng)或形成抑制區(qū)域，因此不會(huì)形成允許有機(jī)體 適應(yīng)的條件。所得到的嵌入銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的抗菌基材不會(huì)使銀浸 出或削弱，而是隨著時(shí)間的推移永久地保持與所施加的表面相附著。它不會(huì)使微生物中毒。參照?qǐng)D3可以明顯地看到，與基材鍵合的硅烷季銨聚合物可以抑制銀納米顆粒的浸出。沉積有銀納米顆粒的瓊脂(10)發(fā)生浸出。洗滌幾次之后，沉積有銀納米顆粒的瓊 脂大量地浸出(12)，放置在瓊脂上的嵌入銀納米顆粒的多孔材料(14)也發(fā)生浸出，而放置 在瓊脂上的嵌入銀納米顆粒并涂有硅烷季銨聚合物的多孔材料，(16)顯示了最小浸出量， 放置在瓊脂上的嵌入銀納米顆粒并涂有硅烷季銨聚合物的多孔材料，在洗滌若干次后(18) 也顯示了最小浸出量。當(dāng)微生物(20)接觸有機(jī)官能化硅烷處理的過(guò)濾器(22)的表面時(shí)，通過(guò)類似劍刺 的作用，細(xì)胞物理性地破裂，然后通過(guò)帶正電荷的氮分子將其電死(圖4)。參照?qǐng)D5、6和7，涂有“納米銀以及硅烷季銨聚合物(24) ”的過(guò)濾器，用作空氣處 理裝置中的過(guò)濾器的優(yōu)選實(shí)施方案。這種獨(dú)特的抗菌表面活性過(guò)濾器可以在接觸時(shí)消滅空 氣傳播的細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、真菌、霉菌、霉、酵母菌和藻類，同時(shí)排除過(guò)濾 器本身作為微生物污染物的未來(lái)生長(zhǎng)點(diǎn)。具有永久性結(jié)合的硅烷季銨聚合物的“納米銀”涂 覆的過(guò)濾器可以提供無(wú)與倫比的生物控制功能，同時(shí)沒(méi)有氣味、不會(huì)偏移或放出廢氣，并且 不會(huì)產(chǎn)生有機(jī)體突變。由此，用與之結(jié)合的硅烷季銨聚合物處理的“納米銀”涂覆的過(guò)濾器 (具有提高水平的抗菌活性。除臭(氣味除去裝置)現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分除臭劑利用用掩蔽作用來(lái)控制氣味。這些“掩蔽劑”也稱為除 臭劑，但掩蔽劑含有濃厚香精，并且僅僅試圖在使人不愉快的氣味中添加令人愉快的氣味。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施方案，硅烷季銨聚合物溶液是吸附惡臭的除臭劑，其含有活性 殺菌劑，并具有除臭劑性能，可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、反作用、中和以及溶解使人不愉快的氣味和 有毒氣體來(lái)除去惡臭，其除臭方式是環(huán)境上可靠和提高的方式，而不是暫時(shí)掩蔽它們。硅烷 季銨聚合物溶液是無(wú)毒的、無(wú)腐蝕性的和不易燃的溶液?；衔锇l(fā)生反應(yīng)，使分子衰變，因 此氣味不再存在。過(guò)濾器可以自動(dòng)和同時(shí)地與寬范圍的氣體(從酸性(硫化氫，甲硫醇) 至堿性的氣味(氨，三甲胺))發(fā)生反應(yīng)，從而減少所存在的氣味和它們的氣體對(duì)應(yīng)物。寬的溫度范圍不會(huì)影響銀納米顆粒與硅烷季銨聚合物溶液的組合，使其能夠成為 可能經(jīng)受高溫的汽車環(huán)境的理想除臭劑。在蒸發(fā)期間，除臭的效果不會(huì)改變，這是因?yàn)榛?的除臭劑不會(huì)蒸發(fā)。另外，該實(shí)施方案包括半多孔(semi-porous)的纖維素酯芯(26)，其在制備期間 被放入到硅烷季銨聚合物溶液中。半多孔的纖維素酯芯和硅烷季銨聚合物溶液兩者一起形 成特定的基料，以便控制芳香治療香氣的釋放/排放，以及防止回流氣體/化學(xué)制品、惡臭 和可吸入的懸浮粒子或微粒的再次排放。根據(jù)本發(fā)明的需要，半多孔的芯不但用于控制香 料的釋放，而且用于延長(zhǎng)本發(fā)明所用的硅烷季銨聚合物溶液的壽命達(dá)到6周?？諝馇逍聞┗蛳懔贤苍搶?shí)施方案還在硅烷季銨聚合物溶液與空氣清新劑(28)之間引入了相互作用。 在空氣清新劑中使用香精油。優(yōu)選，在空氣清新劑中使用源于香精油的特定混合物的高質(zhì)量香料。芯(26)可以 使空氣清新劑中的香味保持緩慢的釋放，并從風(fēng)機(jī)(30)控制釋放香味。該實(shí)施方案進(jìn)一步 結(jié)合了吸附和凈化兩種原理，其是從室內(nèi)空氣中除去氣體污染物和惡臭的兩個(gè)主要工藝技 術(shù)。就本發(fā)明而論，可以預(yù)見(jiàn)各種實(shí)施方案和額外的特征。對(duì)熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的各種改進(jìn)和變化應(yīng)被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
制備用作過(guò)濾器的抗菌基材的方法，其包括下列步驟將多孔材料浸泡在銀納米顆粒膠體中；和用硅烷季銨聚合物涂覆已經(jīng)嵌入銀納米顆粒的多孔材料，以降低銀納米顆粒的損失。
2.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括下面的步驟用試劑刻蝕所述多孔材料的表面。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述試劑包括氫氯酸或硝酸或硫酸或臭氧或UV。
4.權(quán)利要求1或2的方法，進(jìn)一步包括用丙酮或醇洗滌多孔材料的預(yù)處理步驟。
5.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步包括將抗菌基材干燥的步驟。
6.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步包括將半多孔的芯放在硅烷季銨聚合物中的步馬聚ο
7.用作過(guò)濾器的抗菌基材，其包括嵌入了銀納米顆粒并具有硅烷季銨聚合物涂層的多 孔材料。
8.權(quán)利要求7的抗菌基材，其中多孔材料包括金屬泡沫或聚氨酯或聚酯或無(wú)紡紙。
9.權(quán)利要求7或8的抗菌基材，其中硅烷季銨聚合物涂層包括1，3-二癸基2-甲基-咪 唑啉氯化物和二甲基、甲基_(聚環(huán)氧乙烷)硅氧烷。
10.空氣處理裝置，其包括抗菌過(guò)濾器，所述抗菌過(guò)濾器包括嵌入了銀納米顆粒并具有 硅烷季銨聚合物涂層的多孔材料。
11.權(quán)利要求10的空氣處理裝置，其進(jìn)一步包括氣味除去裝置，和/或，清新劑或香料筒。
12.權(quán)利要求11的空氣處理裝置，其中清新劑或香料筒通過(guò)半多孔的芯與過(guò)濾器連接。
全文摘要
制備抗菌空氣過(guò)濾器的方法，其包括下列步驟將多孔材料浸泡在銀納米顆粒膠體中；用硅烷季銨聚合物涂覆已經(jīng)嵌入銀納米顆粒的多孔材料，以降低銀納米顆粒的損失。得到的過(guò)濾器可以用于空氣處理裝置。
文檔編號(hào)A01N59/16GK101970019SQ200780102123
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者劉華文 申請(qǐng)人:安體百克生化科技有限公司