具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料及制备方法和应用

文档序号：580265 发布日期：2021-05-25 浏览：27次 >En<

阅读说明：本技术 具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料及制备方法和应用 (Te nanowire activated carbon fiber material with piezoelectricity, and preparation method and application thereof ) 是由夏德华李智耀麻丁仁何春罗蔓慧郑溪源刘威奇关心怡于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于纳米新材料技术领域,具体涉及具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料及制备方法和应用。该材料的半金属Te微观上具有纳米线的结构,当有机械振动的刺激时,能够在形变后产生更多电子并发生偏移,催化Te纳米线产生自由基,对细菌、真菌均具有显著的杀灭作用；该材料且具有较大的比表面积,可以吸附臭味或异味；同时还具有合成简单、无毒无害、环保高效等优点,应用前景广泛。将其负载在鞋垫中,对细菌、真菌的杀菌效果可达70～99％,效果显著,同时还可以除臭防霉,对脚气等微生物侵染疾病具有显著的防治效果。(The invention belongs to the technical field of new nano materials, and particularly relates to a Te nanowire activated carbon fiber material with piezoelectricity, and a preparation method and application thereof. The semi-metal Te of the material has a nanowire structure on the microcosmic aspect, and when mechanical vibration stimulation is generated, more electrons can be generated and offset after deformation, the Te nanowire is catalyzed to generate free radicals, and the material has a remarkable killing effect on bacteria and fungi; the material has larger specific surface area and can adsorb odor or peculiar smell; meanwhile, the method has the advantages of simple synthesis, no toxicity, harmlessness, environmental protection, high efficiency and the like, and has wide application prospect. The antibacterial agent is loaded in the insole, has a 70-99% bactericidal effect on bacteria and fungi, is remarkable in effect, can deodorize and prevent mildew, and has a remarkable prevention and treatment effect on microorganism infection diseases such as dermatophytosis.)

技术领域

本发明属于半金属纳米压电复合材料技术领域。更具体地，涉及具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料及制备方法和应用。

背景技术

压电材料指的是在某些非中心对称结构的固体材料中，由于机械应力可以积累电荷的材料。压电材料对机械振动极其敏感，甚至水流、肌肉运动和呼吸也能引起电荷；具有将机械刺激转换为电信号的能力，或反之亦然。压电材料包括压电单晶体、多晶体压电陶瓷、高分子压电材料、聚合物-压电陶瓷复合材料等，可应用于压腔振荡器、压电换能器、生物材料等领域，应用领域较为窄。

微生物造成的传染性皮肤病比如脚气，在世界各国发病率均很高，在我国城市中成人发病率可达60％以上。这种传染性皮肤病发生在趾掌面，发病原因为表皮鲜菌、毛癣菌或足趾毛癣菌侵犯，加之足底角质层厚、皮脂缺乏、汗腺丰富、足部潮湿，有利于霉菌生长繁殖而起。因此，日常的卫生清洁及预防显得尤为重要。目前市售鞋垫有活性炭除臭鞋垫、抗菌鞋垫等，其中，活性炭鞋垫因其极大的比表面积对臭味具有很强的吸附能力，但是其抗菌性差，不能根本解决鞋垫细菌滋生问题；抗菌鞋垫如掺银的抗菌鞋垫具有抑制脚底细菌的作用，但其仅仅具有抗菌作用而缺少吸附鞋垫臭气的功能，而且成本较高，不适于产业化。中国专利申请CN111109762A公开了一种非对称湿度控制的中草药抑菌鞋垫，该鞋垫的底层织物可吸收水汽，发泡层为活性炭等，表层织物为中草药针织布，相互结合，具有抑制脚部细菌、真菌的功能；但是抑菌、杀菌效果仍无法满足人们的日常需求，并且中草药也较为昂贵，生产成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有鞋垫材料无法较好的同时满足抑菌、杀菌、除臭，压电材料应用范围较窄的缺陷和不足，提供一种具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料，该材料既可以吸收鞋内的水汽、臭味异味，还具有杀菌、抑菌的效果。

本发明的目的是提供一种具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的制备方法。

本发明另一目的是提供一种所述方法制备得到的具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料。

本发明另一目的是提供所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料在杀菌、抑菌领域的应用。

本发明另一目的是提供一种压电性抑菌鞋垫。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将活性炭纤维、亚碲酸钠和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)溶解至水中，搅拌条件下逐步加入还原剂，调节pH，搅拌均匀，140～180℃条件下进行水热合成反应，得反应液；

S2、将步骤S1所得反应液降至室温，离心，沉淀清洗至中性，干燥、研磨，得Te纳米线活性炭纤维材料。

优选地，步骤S1中，所述水热合成反应的温度为160℃。

进一步地，步骤S1中，所述亚碲酸钠和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物的质量比为1:(1～3)。发明人创造性地发现，在条件范围内制备才能保证还原形成的单质Te沿001方向伸展成线，形成Te纳米线，达到很好的压电催化杀菌效果。优选地，所述亚碲酸钠和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物的质量比为1:2。

更进一步地，步骤S2中，所得Te纳米线活性炭纤维材料中Te纳米线和活性炭纤维的质量比为1:(0.5～2)。优选地，Te纳米线和活性炭纤维的质量比为1:1。

进一步地，步骤S1中，所述还原剂为硼氢化钠。

更进一步地，步骤S1中，所述亚碲酸钠与还原剂的质量比为1:(0.005～0.05)。

进一步地，步骤S1中，所述亚碲酸钠溶于水中的浓度为5～10mg/mL。添加碲盐时控制碲盐加入浓度可以保证反应充分形成单质Te，过多则无法充分反应形成单质Te，过少则会影响时间产物收率。

更进一步地，步骤S1中，所述pH为12～13。

进一步地，步骤S1中，调节pH的试剂为25～28％的氨水溶液。

更进一步地，步骤S1中，氨水溶液与水溶液的体积比为1:20～30。

进一步地，步骤S1中，所述水热合成反应的时间为8～12h。优选地，所述水热合成反应的时间为10h。

更进一步地，步骤S2中，所述离心为8000～10000rpm/min离心5～30min。所述干燥的温度为55～85℃，干燥24h以上。

另外的，本发明还提供了一种所述制备方法所得具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料。

研究发现，本发明中的具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料中的半金属Te微观上具有纳米线的结构，当有机械振动的刺激时，容易产生形变的结构，能够在形变后产生更多电子并发生偏移，催化Te纳米线产生自由基，对细菌、真菌均具有显著的杀灭作用；该材料且具有较大的比表面积，可以吸附臭味或异味；同时还具有合成简单、无毒无害、环保高效等优点，应用前景广泛。

另外的，本发明还提供了所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料在杀菌、抑菌领域的应用。

优选地，所述杀菌、抑菌的菌包括细菌、真菌，所述细菌可以为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌，真菌可以为黑曲霉菌、红色毛藓菌、石膏样毛藓菌、和絮状表皮藓菌等。

进一步地，所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料可以应用于医疗废水等含有大量病原菌废水的处理等领域。

另外的，本发明还提供了一种压电性抑菌鞋垫，其包括所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料。

发明人创造性地将压电性Te纳米线活性炭纤维材料负载在鞋垫中，当使用者穿戴鞋垫行走时，产生的机械振动会刺激压电性Te纳米线活性炭纤维材料产生压电效应，其表面释放额外的屏蔽电荷分散到鞋垫表面成为游离电荷，并与鞋中的水分子结合产生活性物质，如超氧自由基、羟基自由基、过氧化氢等，对细菌、真菌进行杀灭，杀菌效果可达70～99％，效果显著，具有杀菌抑菌、除臭防霉的效果。

进一步地，所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的使用量为每只压电性抑菌鞋垫2～10mg/cm²。优选地，所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的使用量为每只压电性抑菌鞋垫为2mg/cm²、5mg/cm²或10mg/cm²。更优选地，所述具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的使用量为每只压电性抑菌鞋垫为5mg/cm²。

更进一步地，所述鞋垫的基底材料可以为针织或机织的纯棉、涤棉布料、竹编或草编结构、丝瓜络等。可直接将具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料涂覆至基底材料上，也可以采用常规的粘合剂进行粘贴。

另外的，本发明还提供了所述压电性抑菌鞋垫的制备方法，包括以下步骤：

S3、将具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料均匀分散在水溶液中，均匀涂覆在无纺布鞋垫面料上，形成灭菌层，将鞋垫65℃烘干24h，即得。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料的半金属Te微观上具有纳米线的结构，当有机械振动的刺激时，能够在形变后产生更多电子并发生偏移，催化Te纳米线产生自由基，对细菌、真菌均具有显著的杀灭作用；该材料且具有较大的比表面积，可以吸附臭味或异味；同时还具有合成简单、无毒无害、环保高效等优点，应用前景广泛。

(2)本发明创造性地将压电性Te纳米线活性炭纤维材料负载在鞋垫中，利用行走时产生的机械振动和鞋中的水汽，可以产生自由基等活性物质，对细菌、真菌进行杀灭，杀菌效果可达70～99％，效果显著，同时还可以除臭防霉，对脚气等微生物侵染疾病具有显著的防治效果。

附图说明

图1为实施例1步骤S1、S2的材料XRD测试的X射线衍射图。

图2为实施例1步骤S2所得Te纳米线活性炭纤维材料(Te/ACF)、对比例2活性炭纤维(ACF)、对比例3的Te纳米线材料的扫描电镜SEM图。

图3为实施例1～3步骤S2所得不同负载量Te纳米线活性炭纤维材料(Te/ACF)的扫描电镜SEM图。

图4为实施例1步骤S2所得Te纳米线活性炭纤维材料的Mapping图。

图5为实施例1步骤S2所得Te纳米线活性炭纤维材料的EDS图。

图6为实施例1步骤S2所得Te纳米线活性炭纤维材料在压电效应下的DMPO-·O₂ ^-络合物ESR图谱。

图7为实施例1、对比例1～3和空白对照鞋垫通过机械振动产生压电效应的杀菌(大肠杆菌)效果图。

图8为杀菌性能测定中大肠杆菌培养平板图；其中，左图平板为加Te纳米线活性炭纤维材料没有走动时无机械振动的对照组，右图平板为加Te纳米线活性炭纤维用于行走后产生了压电杀菌效果的平板培养结果。

图9为杀菌性能测定中大肠杆菌被杀灭的SEM图。

图10为实施例1鞋垫杀菌机理分析图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1具有压电性Te纳米线活性炭纤维材料制备鞋垫