具有健康监测功能纳米纤维基空气滤材的构筑及性能研究
随着工业化和城市化的飞速发展，空气污染问题愈发严重，尤其是空气中的颗粒物(PM)污染，已经严重危害到人们的生命健康。世界卫生组织数据表明全球每年有七百万人左右因空气污染问题而死亡。此外,2019年以来,COVID-19在全球范围流行传播，传播方式多样且传播速度极快，感染后对人体的呼吸系统、神经系统造成巨大的损害。冠状病毒及其他病原体易粘附在超细颗粒物(PM0.3)上，普通医用口罩等防护材料只能物理阻隔超细颗粒物，长期使用下携带有病毒、细菌等病原体的超细颗粒物会沉积在滤材表面，增加了感染的风险。呼吸频率、呼吸深度等体征是监测人体健康的重要指标之一，许多疾病(如心脏病、肺炎等)都会引起患者呼吸频率的变化。然而，传统的呼吸监测方式极为不便，患者需要到医院或医疗机构使用大型设备进行检测，无法使用便携式设备进行实时的监测，增加了延误治疗的风险。 针对以上问题，本文研究制备了纳米纤维膜空气滤材，同时中引入无机粒子、纳米银粒子、Ag@CNTs等，通过对纳米纤维膜空气过滤材料进行结构调控和功能化设计，得到具有抗菌、透湿低温舒适性好及健康监测功能的高效空气过滤性能的纳米纤维膜材料。通过优化了纳米纤维膜的结构，拓展了纳米纤维膜的功能应用，增强了其对细菌等微生物的杀灭能力，大幅提升了纳米纤维膜材料的综合性能。本文的研究结果可分为以下三个部分: 采用熔融挤出相分离法制备了聚乙烯醇-聚乙烯共聚物(PVA-co-PE)纳米纤维，使用水热法制备出氧化锌(ZnO)纳米花粒子，将ZnO纳米粒子作为“支架”引入到PVA-co-PE纳米纤维膜结构中，制备得到ZnO/PVA-co-PE纳米纤维膜。ZnO纳米花粒子的适量引入能够有效调节纳米纤维的堆积方式，优化ZnO/PVA-co-PE纳米纤维膜的结构，降低纳米纤维膜的压降，当ZnO纳米花粒子的重量百分比达到50％时，ZnO/PVA-co-PE纳米纤维膜的性能最优。 采用高压气流成型法将混合AgNO3溶液的PVA-co-PE纳米纤维悬浮液喷涂在去除驻极的PP熔喷无纺布基材上，采用紫外光照射还原法还原银离子，制备出PVA-co-PE@Ag纳米纤维复合膜（NF@Ag）。研究结果表明，纳米纤维表面的银纳米粒子能够提升NF@Ag纳米纤维膜的亲水性，同时NF@Ag纳米纤维膜具有优良的透湿性能。NF@Ag纳米纤维膜在不依赖静电吸附的情况下，过滤效率可达到95.80±0.89％,压降为122.00±1.73Pa。NF@Ag空气过滤材料对大肠杆菌E.coli和金黄色葡萄球菌S.aureus具有优异的抗菌性能，光热消毒和保温性能。NF@Ag空气过滤材料可以简单地叉指电极图案化设计为呼吸监测传感器，以精确检测人体的呼吸活动和健康状况。 通过高压气流成型法将PVA-co-PE纳米纤维悬浮液喷涂到去除驻极的PP熔喷无纺布基材制备出PVA-co-PE纳米纤维膜（NF）,然后在NF表面涂覆一层Ag@CNTs悬浮液，制备得到Ag@CNTs空气过滤材料。研究结果表明，Ag@CNTs的引入能够显著提升Ag@CNTs纳米纤维膜的亲水性，同时赋予纤维膜优异的抗菌性能。Ag@CNTs具有高效空气过滤性能，过滤效率最高可达到96.30±0.41％,压降为132.67±3.21Pa。Ag@CNTs可以作为湿敏传感器，能够精确有效监测人体呼吸体征状况。
空气滤材;健康监测;抗菌性;过滤效率;纳米纤维膜
武汉纺织大学
硕士
材料科学与工程
刘轲
2023
中文
X513;TB383
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）