一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明属于抗菌高分子材料技术领域，具体来说，涉及一种具有高效、稳定、可再生、无小分子抗菌剂溶出、安全、亲水、透气的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜及其制备方法。
背景技术
卤胺是具有活性氯储存和释放功能的含有N-卤素结构型化合物，因其高效广谱的杀菌性能、良好的化学稳定性、独特的抗菌可再生性、低毒性和成本等优点而备受青睐，已经广泛地被用于水处理、空气过滤、纺织、不锈钢、硅材料、医疗与健康产品等领域。
目前卤胺类化合物按照化学结构主要分为胺型、酰胺型、酰亚胺型，其中，胺型卤胺具有最好的化学稳定性，而四烷基哌啶醇型是胺型卤胺中最为稳定的一类卤胺，不仅具有出色的抗菌性能，还具有非常优异的光、热以及化学稳定性。另一方面，小分子卤胺化合物在环境中容易水解，不能够长期储存和使用、且在紫外线下稳定性较差，使用后不易回收，因此卤胺类聚合物材料的开发成为了热点。如CN102877288A，将聚丙烯腈纤维先水解使之酰胺化、酰亚胺化，然后用次氯酸盐漂洗纤维，得到具有含卤胺基团的抗菌纤维；CN103524652A和CN106565912A都是采用阳离子抗菌单体在一定条件下生成抗菌聚合物后，采用后整理的方法应用于织物等材料表面。CN104497338A是在纳米纤维素表面引发卤胺单体聚合，得到抗菌纳米纤维素膜。但是目前将四烷基哌啶醇型卤胺单体接枝到聚合物材料上的研究较少。
本发明把四烷基哌啶醇型卤胺单体接枝到亲水性聚丙烯酸（PAA）型聚合物上，提升其使用安全性，避免应用中小分子抗菌单体的溶出，然后进一步将此接枝聚合物与疏水性聚氨酯共混静电纺丝，再经氯化，得到具有一定亲/疏互穿网络结构的强效抗菌抗病毒的复合纳米纤维膜。这种膜材料可用于防疫口罩、食品包装、医用敷料、防护服等应用领域。虽然现有专利CN 108863909 A也公布了将四甲基哌啶醇接枝到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上，经氯化得到一种新型卤胺聚合物的方法，但是该制备方法存在使用二甲苯等毒性较大溶剂、需要较高的反应温度、后处理耗费溶剂大、氯化复杂且效率低等缺点。罗昊等（Materials Today Communications，2020，23，100898）同样把四甲基哌啶醇型卤胺单体接枝到聚甲基丙烯酸甲酯聚合物上，并与聚氨酯共混纺丝，得到抗菌纳米纤维膜。由于PMMA为疏水性聚合物，PAA为亲水性聚合物，本发明得到的纳米纤维膜氯含量更高，具有更为优异的抗菌性，同时具有抗病毒性能。
发明内容
为解决现有技术的缺点和存在的不足，本发明的目的是提供一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜，该纤维膜为具有一定亲/疏水聚合物互穿网络结构，性能优越，高效、稳定、可再生的抗菌抗病毒性能、良好的亲水性和透气性，抗菌剂无溶出、安全性高的特点。
本发明的另一目的是提供一种制备前述一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的制备方法，该制备方法具有低温、溶剂环保安全、接枝率高、过程易控制的特点，制备的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜可加工性强。
本发明提供的制备前述一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的制备方法，包括如下工艺步骤和条件。
1. 聚丙烯酸型聚合物的溶解，将平均分子量为400000~600000的聚丙烯酸型聚合物和极性非质子溶剂在快速搅拌下混合均匀，溶剂为二甲亚砜、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺、二氧六环、乙腈的至少一种，聚丙烯酸型聚合物与极性非质子溶剂的重量比为0.03~0.1，搅拌反应在室温敞口容器中进行，搅拌时间为 30~120 min。
2. 聚丙烯酸型聚合物的活化，将步骤1的反应容器置于冰浴条件下继续搅拌，同时加入碳二亚胺类羧基活化剂、氮杂环类催化剂，碳二亚胺类羧基活化剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、二环己基碳二亚胺的至少一种，该活化剂与聚丙烯酸型聚合物的摩尔比为0.1~2；氮杂环类催化剂为4-二甲氨基吡啶、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯、1-羟基苯并三唑中的至少一种，该催化剂与聚丙烯酸型聚合物摩尔比为0.01~0.5；室温活化，时间为30~180 min。
3. 四烷基哌啶醇类接枝聚丙烯酸型聚合物，在步骤2的体系中加入四烷基哌啶醇类单体和胺类催化剂。四烷基哌啶醇与溶剂的质量比为0.1~1，与聚丙烯酸型聚合物的摩尔比为0.1~2，胺类催化剂为N，N二甲基乙醇胺、三乙胺、二亚乙基三胺、二甲基苄胺中的至少一种，该催化剂与聚丙烯酸型聚合物摩尔比为0.1~2，将反应容器置于0℃~60℃条件下继续搅拌，搅拌时间为12~72 h；反应结束后，将反应产物用沉淀剂沉淀出来，沉淀剂为乙醇、甲醇、丙酮的至少一种，沉淀剂与反应液体积比为10~1，沉淀产物通过溶解沉淀法提纯或者透析提纯，最终真空干燥，得到产物。
4. 静电纺丝制备纳米纤维膜，将步骤3的沉淀产物，即四烷基哌啶醇类接枝聚丙烯酸型聚合物与10 wt%~20 wt%疏水性聚氨酯溶液混和，得到总质量分数为10 wt%~20 wt%的纺丝液。通过静电纺丝得到具有亲/疏聚合物共混的纳米纤维膜。
5. 纳米纤维膜的氯化。将步骤4得到的纳米纤维膜在0.5 wt%~2 wt%中性次氯酸钠溶液中浸泡氯化0.25 h~6 h，并用水洗涤数次，除去残留的次氯酸钠，真空干燥得到本发明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜。
为了考察本发明制备的卤胺单体接枝聚合物产物，对产物进行了1H-NMR和 FTIR分析，所得结果见图1和图2。
为了考察本发明制得的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的性能，测试了纤维膜的活性氯负载性能、活性氯再生性能、活性氯储存稳定性、最低抑菌浓度、杀菌速度。结果见图3~图9。
为了考察本发明制得的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的抗病毒性能，委托广东省微生物分析检测中心进行了抗甲型流感病毒（H1N1）的实验，结果显示抗病毒活性值 > 3.08，抗病毒活性率 > 99.92%。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出的效果。
1、本发明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纤维膜所述的抗菌抗病毒聚合物是一种本体具有抗菌抗病毒性能的聚合物剂型抗菌抗病毒剂，克服了小分子抗菌剂易溶出、不稳定的缺点，具有可再生、长效的特点。
2、本发明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纤维膜所述的抗菌抗病毒聚合物前驱体合成是通过形成活性酯的方法将卤胺类单体接枝到亲水性聚合物上，相比于已有专利合成卤胺接枝聚合物使用的酯交换法需要无水、高温、甲醇蒸出的严苛条件，本发明合成方法反应条件温和，常温常压即可反应，无需严苛的无水条件要求；而且酯交换往往使用甲苯、二甲苯这种高毒性溶剂，本发明合成方法使用的是较低毒性的溶剂，如、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺，更加安全环保。
3、本发明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纤维膜所述的卤胺类单体接枝的聚合物选用了亲水型的聚丙烯酸型聚合物骨架，其能够增强材料对细菌的吸附作用，促进卤胺与细菌更好接触，提高抗菌抗病毒性能。而且相较于以往专利（CN 108863909 A）将四甲基哌啶醇接枝到聚甲基丙烯酸甲酯聚合物上，本发明制得的卤胺类聚合物活性氯含量和抗菌性能大幅提升，同时具有抗病毒功效，并使得制得的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纤维膜使用后具有良好的再生性能。
4、本发明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纤维膜所述的卤胺类聚合物具有良好的加工性能，能与疏水性聚氨酯溶液混合静电纺丝加工制成具有一定互穿网络结构的纳米纤维膜，该纤维膜具有高效、稳定、可再生的抗菌抗病毒性能， 且无小分子抗菌抗病毒剂溶出、安全性高，且具有良好的亲水性和透气性。
附图说明
图 1为本发明制备的四甲基哌啶醇接枝PAA的1H-NMR谱，如图可见1H-NM谱中，ppm5.32为与六元环上新形成的酯键相连的H原子的质子信号（d）；ppm1.24为四个甲基的质子信号（g）；1H-NMR谱中也有其它质子信号，包括ppm1.99为羰基β碳上的氢（a）和六元环上的亚甲基指向六元环外的氢（f）、ppm2.22为羰基α碳上的氢（c）、ppm1.87为六元环上N-H的氢（h）、ppm1.37-1.53为为羰基β碳上的氢（b）和六元环上的亚甲基指向六元环内的氢（e）。因此，从1H-NMR谱可以推断四甲基哌啶醇已经成功接枝在PAA上。
图2为本发明制备的四甲基哌啶醇接枝PAA聚合物的FT-IR光谱。在Grafted PAA的FT-IR光谱中，在3400和1560波数处出现了新的峰，这分别是N-H的伸缩和弯曲振动峰，2948波数处的峰强度增加是由于引入了四甲基哌啶醇上的4个甲基，与PAA相比，由于少量羧基转化为酯基，接枝PAA的羰基波数略有下降，这些特征峰表明四甲基哌啶醇已成功接枝PAA。
图 3 为本发明添加不同含量四甲基哌啶醇(2.5%、5%、10%)接枝聚合物/聚氨酯混纺制备的卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜（分别命名为S2.5、S5、S10）的活性氯负载性能图。由图可见，纯聚氨酯膜（TPU）在任何时间氯化后都没有活性氯负载，S2.5、S5和S10的活性氯含量在1 h内即达到饱和，说明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜具有快速的活性氯负载能力。
图 4 为本发明制备的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的活性氯再生性能图。将该膜在0.5wt%次氯酸钠稀释溶液中氯化1 h，然后用过量的硫代硫酸钠溶液完全淬灭负载的活性氯，然后再进行氯化，分别进行1、2、3、4、5个循环，并测定每个循环的活性氯含量，每组样品进行三个平行实验，实验结果取平均值。由图可见，经过五次氯化和淬灭循环后，S2.5、S5和S10的活性氯含量几乎没有下降，说明纤维膜具有良好的可再生氯化性能，同时结果也表明，卤胺接枝聚合物在水介质中不会有卤胺小分子从膜中溶出。
图 5 为本发明制备的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的活性氯储存稳定性图。将纤维膜放置在正常光照的环境中贮存。分别于第1、3、5、7、9、11、13、15 天取出部分样品，测定其活性氯含量，每组样品进行三个平行实验，实验结果取平均值。由图可见，在室温光照条件下，贮存11 天后，氯化后的S2.5、S5和S10分别保持原来活性氯含量的67.48%、79.72%和83.31%，氯化S10贮存15 天后依然保持70%以上的活性氯含量，表明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜具有良好的活性氯储存稳定性。
图 6和图7为采用琼脂稀释法测试得到的本发明制备的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的最低抑菌浓度图。由图可见，氯化S2.5、氯化S5、氯化S10对大肠杆菌（图6）和金黄色葡萄球菌（图7）（≈107 CFU/mL）的MIC分别为5 mg/mL、2.4 mg/mL、1.4 mg/mL和5 mg/mL、2.0 mg/mL、1.4 mg/mL。随着四甲基哌啶醇接枝PAA含量的增加，氯化膜的MIC降低，氯化膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC相似，说明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有优异的抗菌作用。
图 8和图9为采用接触抗菌法测试本发明制备的一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜的杀菌速度图。由图可见，在2.5 min时，氯化S2.5、氯化S5、氯化S10对大肠杆菌（图8）和金黄色葡萄球菌（图9）（≈106 CFU/mL）的抗菌率分别为74.95%、76.69%、91.32%和46.35%、61.71%、88.16%，氯化S10能在5 min内杀死95％以上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，说明一种卤胺类聚合物抗菌抗病毒纳米纤维膜具有快速杀菌的能力。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该技术领域的技术人员可以根据本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例 1 。
将1.00 g 聚丙烯酸溶于30 mL N,N二甲基乙酰胺中，室温搅拌30 min，然后在冰浴条件下加入0.10 g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和0.01 g 4-二甲氨基吡啶进行活化30 min；随后逐步将0.50 g 四甲基哌啶醇和0.3 g N，N二甲基乙醇胺溶解于5 mL N,N二甲基乙酰胺，溶解好的液体加入活化后的反应体系中，在40℃下反应24 h。反应结束后，用甲醇沉淀出固体并洗涤产物，然后将产品溶于纯水进行透析，最后将透析液冷冻干燥得到产物。再将0.1 g该产物与1 g聚氨酯在N,N二甲基乙酰胺溶液中混合配成总溶质质量分数为20%的纺丝液，采用静电纺丝得到纳米纤维膜，将纳米纤维膜浸泡在0.5wt%的中性次氯酸钠溶液中氯化，然后用纯水洗涤，除去残留的次氯酸钠，真空干燥，得到具有抗菌抗病毒性能的含质量分数10%卤胺类聚合物的氯化纳米纤维膜。
实施例 2 。
将2.00 g 聚丙烯酸溶于60 mL N,N二甲基乙酰胺中，室温搅拌60 min，然后在冰浴条件下加入0.30 g 二环己基碳二亚胺和0.03 g 4-二甲氨基吡啶进行活化1 h；随后逐步将1.00 g 四甲基哌啶醇和0.7 g三乙胺溶解于7 mL N,N二甲基乙酰胺，溶解好的液体加入活化后的反应体系中，室温下反应48 h。反应结束后，先过滤得到溶液，用丙酮沉淀出固体，随后再用纯水溶解固体，重复三次，最后真空干燥得到产物。然后将0.1 g该产物与2 g聚氨酯在N,N二甲基乙酰胺溶液中混合配成总溶质质量分数17.5%的纺丝液，采用静电纺丝得到纳米纤维膜，将纳米纤维膜浸泡在1wt%的中性次氯酸钠溶液中氯化，然后用纯水洗涤，除去残留的次氯酸钠，真空干燥，得到具有抗菌抗病毒性能含质量分数5％卤胺类聚合物的氯化纳米纤维膜。
实施例 3 。
将3.00 g 聚丙烯酸溶于80 mL N,N二甲基甲酰胺中，室温搅拌100min，然后在冰浴条件下加入0.40 g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和0.04 g 1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯进行活化1.5 h；随后逐步将1.5 g 四甲基哌啶醇和1g二亚乙基三胺溶解于8 mL N,N二甲基乙酰胺，溶解好的液体加入活化后的反应体系中，在室温下反应48 h。反应结束后，用乙醇沉淀出固体并洗涤，随后将产物进行透析，最后将透析液冷冻干燥得到产物。然后将0.1 g该冷冻干燥产物与2.5 g聚氨酯在N,N二甲基乙酰胺溶液中混合配成总溶质质量分数10%的纺丝液，采用静电纺丝得到纳米纤维膜，将纳米纤维膜浸泡在1.5wt%的中性次氯酸钠溶液中氯化，然后用水洗涤除去残留的次氯酸钠，真空干燥，得到具有抗菌抗病毒性能含质量分数2.5％卤胺类聚合物的氯化纳米纤维膜。
实施例 4。
将3.60 g 聚丙烯酸溶于100 mL N,N二甲基甲酰胺中，室温搅拌100 min，然后在冰浴条件下加入0.5 g 二环己基碳二亚胺和0.05 g 1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯进行活化2 h；随后逐步将2.00 g 四甲基哌啶醇和1.5 g二甲基苄胺溶解于10 mL N,N二甲基乙酰胺，溶解好的液体加入活化后的反应体系中，在室温下反应72 h。反应结束后，先过滤得到溶液，用乙醇沉淀出固体，随后再用纯水溶解固体，随后再用乙醇沉淀固体，重复三次，最后真空干燥得到产物。然后将0.1 g该产物与1.3 g聚氨酯在N,N二甲基乙酰胺溶液中混合配成总溶质质量分数15%的纺丝液，采用静电纺丝得到纳米纤维膜，将纳米纤维膜浸泡在2wt%的中性次氯酸钠溶液进行氯化，然后用水洗涤除去残留的次氯酸钠，真空干燥，得到具有抗菌抗病毒性能含质量分数7.5％卤胺类聚合物的氯化纳米纤维膜。
