一种抗菌口罩芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体为一种抗菌口罩芯片及制备方法。

背景技术

随着经济高速发展，工业化、城市化进程不断推进，工业生产、日常生活、汽车尾气排放等过程向空气中释放的颗粒物质越来越多，极大增加了空气中颗粒物质的浓度。其中，PM10(空气中直径小于10um的极细颗粒物)和PM2.5(空气中直径小于2.5um的极细颗粒物)对空气质量造成的影响最为严重。目前，城市空气主要的影响物质为PM2.5，严重的影响着人们的健康生活。除此之外，空气中还漂浮着大量的致病细菌、病毒等，都严重地危害着人类的健康。

细菌在PM2.5和PM10生物组分中的相对百分比可达80％以上。其中，气传嗜肺军团菌曾多次导致军团菌病在人群中的暴发流行，气传金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等机会致病菌可引发破损皮肤和局部组织甚至全身范围的感染。

口罩是一种卫生用品，对进入人体的空气有一定的过滤作用，口罩滤芯在其中起决定性的作用。在呼吸道传染病流行时，在粉尘等污染的环境中作业时，戴口罩具有非常好的防护作用。目前，市场上大多数口罩滤芯对PM2.5防护效果差，且不能有效抑制、杀灭PM2.5中所携带的病菌。

纳米银是一种典型的金属纳米材料，通过直接吸附在细胞表面与含硫蛋白结合导致细胞膜功能受损，从而改变细胞通透性导致细菌死亡，杀菌效果强，杀菌谱广且应用安全。

纳米氧化锌是一种无机金属离子氧化物，目前研究发现纳米氧化锌可以对绿脓杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、乳杆菌属等细菌有显著的抗菌活性，且生物形容性强，在医学领域内抗菌效果明显，且与人体接触无危害。

授权公告号为CN105962481B的发明专利中，介绍了一种魔芋葡甘聚糖防霾口罩，过滤层为魔芋葡甘聚糖膜和魔芋葡甘聚糖纳米多孔膜制成。此口罩滤芯具有强度好、过滤性好的优点，但是不能够有效地抑制PM2.5中所携带的病菌。

授权公告号为CN104856287A的发明专利中，介绍了一种抗菌口罩滤片及其制备方法和抗菌口罩。此口罩滤芯能够很好的过滤PM2.5，并且能够抑制PM2.5中所携带的病菌，但是主要抗菌成分为壳聚糖，抗菌效果弱。

授权公告号为CN106923410A的发明中，介绍了一种立体口罩滤芯及防霾口罩。此口罩滤芯能够在一定程度上抑制、过滤PM2.5中所携带的细菌，但是其不能多次循环利用，而且其滤芯分层太多，层与层之间运用胶粘对空气流通可能有影响。

发明内容

针对现有技术中口罩滤芯存在对PM2.5防护效果差，且不能有效抑制、杀灭PM2.5中所携带的病菌的问题，本发明提供一种抗菌口罩芯片及制备方法，可有效的抑制、杀死PM2.5中所携带的病菌，安全环保，极大提高了对空气中颗粒物质的滤除性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种抗菌口罩芯片，包括依次叠加的粗过滤层、吸附层和抗菌层；所述粗过滤层位于外层设置，抗菌层位于内层设置，粗过滤层、吸附层和抗菌层的大小对应设置，其中，粗过滤层为魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜；吸附层为魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵；抗菌层为魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜。

优选的，魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜由魔芋葡甘聚糖和竹原纤维经不可逆凝胶化处理得到；魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵由魔芋葡甘聚糖和活性炭经混合后再负载纳米银制备得到；魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜由魔芋葡甘聚糖先负载氧化锌成膜、再负载纳米银制备得到。

优选的，魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1mm～2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为70％～85％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.7mm～1.2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为56％～75％；

魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.2mm～0.7mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为81％～89％。

一种抗菌口罩芯片的制备方法，基于上述所述的任意一项的抗菌口罩芯片，包括如下步骤，

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠，无水碳酸钠溶解后加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；将混合溶液进行超声分散，然后平铺于一体物的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，然后加热，再进行冷冻，解冻后去除自由水，得到抗菌口罩芯片。

优选的，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％～0.95％，活性炭粉的质量百分数为2％～5％。

优选的，超声分散的频率为15kHz～50kHz，时间为20min～25min；所述减压冷冻的温度为-70℃～-90℃，真空度为40Pa～80Pa，时间为45h～48h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1mm～2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为70％～85％。

优选的，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为1％～2％。

优选的，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为50℃～56℃，时间为2h～3h；所述硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1h～1.5h；所述干燥的温度为80℃～90℃，时间为3h～4h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.2mm～0.7mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为81％～89％。

优选的，混合溶液中竹原纤维的质量百分数为2％～3％，无水碳酸钠的质量百分数为0.4％～0.55％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％～0.95％。

优选的，超声分散的频率为15kHz～50kHz，时间为30min～40min；所述静置的温度为25℃～35℃，时间为10h～20h；所述加热保温的温度为80℃～100℃，时间为15min～20min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种抗菌口罩芯片，该抗菌口罩芯片为一种具有“膜+海绵+膜，一体化”结构的口罩芯片，按照粗过滤层、吸附层、抗菌层的顺序通过粒径筛分、吸附分离的方法进行有效过滤，极大提高了对空气中颗粒物质的滤除性能，吸附杀菌和过滤杀菌相结合的同时利用不同杀菌层对病菌进行分批逐次杀灭，最大程度上杀灭滤除空气中所携带的病菌，解决了现在市场口罩芯片功能单一的问题。

一种抗菌口罩芯片的制备方法，本发明抗菌口罩芯片中的制备原料魔芋葡甘聚糖、竹原纤维均为天然高分子材料，安全无毒，纳米银和纳米氧化锌均有较好的生物相容性，且对人体无害，因此本发明的抗菌口罩芯片不仅具有较好的过滤性能和抗菌性能，且使用安全。

进一步的，抗菌口罩芯片中可直接置于纯水中进行清洗再生，从而使口罩芯片能多次循环使用，提高了口罩芯片的使用期限和实用价值，再生方法简单易行。

进一步的，本发明将魔芋葡甘聚糖和竹原纤维复合，利用竹原纤维独特的表面结构和KGM分子的亲水缠绕性及乙酰化特性，依次采用不可逆凝胶化处理和冻融，得到多孔结构的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜，可以有效阻挡空气中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物，并保留良好的透气性和吸湿性，避免水汽堵塞孔隙，影响过滤效果以及使用感。

进一步的，本发明的口罩芯片在制备中，以制作成的一层为基础并在此基础上生长后面的多层，充分利用魔芋葡甘聚糖的特点，使得制成的芯片为多层一体。

附图说明

图1为本发明中抗菌口罩芯片的结构示意图；

图2为本发明中抗菌口罩芯片的截面结构示意图。

图中：1-粗过滤层；2-吸附层；3-抗菌层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种抗菌口罩芯片，如图1和图2所示，包括依次叠加的粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3；按照靠近人体面部的顺序粗过滤层1位于外层设置，抗菌层3位于内层设置，所述粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3的大小对应设置，其中，粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜；吸附层2为魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵；抗菌层3为魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜。

采用由魔芋葡甘聚糖和竹原纤维经不可逆凝胶化处理得到的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜作为粗过滤层1，以过滤阻挡去除进入人体口、鼻的空气中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物。

竹原纤维是以竹子为原料的纤维素纤维，该纤维素纤维表面有无数微细凹槽，横截面上布满孔隙且边缘有裂纹，故竹原纤维具有较好的透气性和吸湿性，魔芋葡甘聚糖(KGM)的分子结构为无定形结构，含有大量的亲水基团，具有良好的成膜性能，因此KGM分子很容易进入并分布在竹原纤维之间的空隙内，并沿着竹原纤维的纵向方向缠绕包裹在竹原纤维的表面，与竹原纤维形成结构致密的溶胶复合体，在不可逆凝胶化处理过程中，溶胶复合体中的KGM分子脱除乙酰基导致KGM分子的自身凝聚、分子链之间缠绕，从而溶胶复合体中的KGM分子结构收缩，并紧紧缠绕附着在竹原纤维的表面，形成凝胶复合体，由于KGM分子的收缩效应，竹原纤维的表面的凹槽、孔隙和裂纹部分暴露出来，凝胶复合体中出现孔隙结构，从而形成多孔结构的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜，该魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜可以有效阻挡空气中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物，即使有极少量的大颗粒粉尘及PM10颗粒物进入粗过滤层，也会被魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜中的竹原纤维的表面的凹槽或孔隙截留，同时，该魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜中部分暴露的竹原纤维的表面的凹槽、孔隙和裂纹使魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜仍具有较好的透气性和吸湿性，空气可顺利进入粗过滤层，同时空气中的水汽部分被吸收，避免了水汽聚集在口罩芯片中堵塞孔隙，影响过滤效果以及使用感；另外，竹原纤维对空气中的甲醛、苯、甲苯、氨等有害物质具有较强的吸附作用，并消除不良异味，进一步提高经过粗过滤层的空气质量。

采用由魔芋葡甘聚糖和活性炭经混合后再负载纳米银制备得到的魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵作为吸附层2，经过粗过滤层的空气中含有大量的PM2.5和病菌，魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的孔隙致密，可有效截留吸附PM2.5颗粒，同时其中的活性炭的多孔结构增强了对PM2.5颗粒的吸附性能，并可有效吸附去除空气中的有毒、有害物质以及不良异味，而分散在魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵中的纳米银具有较强的杀菌性能，通过直接吸附在细胞表面与含硫蛋白结合导致细胞膜功能受损，从而改变细胞通透性导致病菌死亡，杀菌效果强，杀菌谱广且应用安全，因此可对吸附在魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵中的PM2.5颗粒携带的细菌进行全面长效地抑制和杀灭，避免空气中的有害细菌进入人体造成危害，且纳米银的用量较微少，在魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵中的负载效果较好，不易扩散失效，安全耐用。

采用由魔芋葡甘聚糖先负载氧化锌成膜、再负载银制备得到的魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜作为抗菌层3，即最靠近人体的一层，经过吸附层中的空气中含有少量的PM2.5和病菌，由于魔芋葡甘聚糖先负载纳米氧化锌成多孔膜，再利用多孔膜的孔隙负载纳米银制备魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜，不仅提高了纳米氧化锌和纳米银的负载量，同时由于纳米氧化锌与纳米银处于不同的孔隙空间内，避免了两者由于空间位阻效应导致的重叠粘合现象，有利于发挥两者的协同抑菌和杀菌作用，从而提高了对空气中病菌的杀灭能力，最终得到洁净的空气。

本发明的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜、吸附层2的魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和抗菌层3的魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜组成，形成多孔膜之间夹杂海绵的结构，最大程度的利用每一层特有的功能对进入人体的空气进行过滤净化。粗过滤层1滤除空气中大量的颗粒物质，并有效地去除空气中的异味、有毒气体；吸附层有比表面积大、孔隙率高、孔径小的优点，对粗过滤层没有过滤完全的颗粒物质进行二次吸附过滤，所富含的纳米银离子也可以高效杀灭所吸附的病菌；经粗过滤层1、吸附层2处理，空气中90％以上的颗粒物质以及病菌都可滤除杀灭，剩余颗粒物质及病菌在抗菌层3的作用下高效过滤、杀灭，给人体提供安全洁净的空气。按照粗过滤层1、吸附层2、抗菌层3的顺序排列通过粒径筛分、吸附分离的方法进行有效过滤，极大提高了对空气中颗粒物质的滤除性能；吸附杀菌和过滤杀菌相结合的同时利用不同杀菌层对病菌进行分批逐次杀灭，最大程度上杀灭滤除空气中所携带的病菌。

本发明的抗菌口罩芯片中各层的制备原料魔芋葡甘聚糖、竹原纤维均为天然高分子材料，安全无毒，纳米银和纳米氧化锌均有较好的生物相容性，且对人体无害，因此该抗菌口罩芯片不仅具有较好的过滤性能和抗菌性能，且使用安全。另外，本发明抗菌口罩芯片的粗过滤层1的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜、吸附层2的魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和抗菌层3的魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜均可置于纯水中进行清洗，且本发明的口罩芯片是结合粗过滤层1、吸附层2、抗菌层3为一体的整体，当粗过滤层魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物吸附饱和或/和吸附层魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵中的PM2.5颗粒物吸附饱和时，可直接将口罩芯片进行清洗再生，从而口罩芯片可循环使用，提高了口罩芯片的使用期限和实用价值。

本发明优选采用含有竹原纤维的碳酸钠溶液将魔芋葡甘聚糖溶解分散后，经加热保温进行不可逆凝胶化处理，再经冻融法去除自由水，从而得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜。该方法可促进魔芋葡甘聚糖充分溶胀并均匀分散在含有竹原纤维的碳酸钠溶液中，经不可逆凝胶化后形成孔隙均匀的孔隙结构，有效去除孔隙中的药品和原料残留，从而控制魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的孔径和竹原纤维表面的凹槽、孔隙和裂纹的暴露程度，进一步提高对空气中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物的阻挡、过滤效果。因此，采用上述方法得到的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.7mm～1.2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为56％～75％，甚至可阻挡和截留PM2.5，减少后续吸附层的处理量，有利于提高杀菌效果。

上述优选的抗菌口罩芯片中的粗过滤层、吸附层和抗菌层的厚度、孔径和孔隙率有利于提高对应各层的过滤性能和抗菌性能，且符合人体学，提高了使用舒适度。

本发明中的抗菌口罩芯片由魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜经一次制备而成，充分的发挥了所使用原料的性能。所得到的抗菌口罩芯片，按照要求规格裁剪后可直接装入口罩外层进行使用，其中该抗菌口罩芯片的纳米银氧化锌多孔膜为最里层，最靠接人体面部，魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜靠近空气一侧，该方法工艺简单，容易实现工业化生产，有利于本发明口罩芯片的推广应用。

其中，一种抗菌口罩芯片的制备方法，基于上述所述的抗菌口罩芯片，包括如下步骤，

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％～0.95％，活性炭粉的质量百分数为2％～5％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为15kHz～50kHz，时间为20min～25min；所述减压冷冻的温度为-70℃～-90℃，真空度为40Pa～80Pa，时间为45h～48h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1mm～2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为70％～85％；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为1％～2％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为50℃～56℃，时间为2h～3h；

然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1h～1.5h；所述干燥的温度为80℃～90℃，时间为3h～4h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.2mm～0.7mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为81％～89％；

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠，无水碳酸钠溶解后加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；将混合溶液进行超声分散，然后平铺于一体物的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，然后加热，再进行冷冻，解冻后去除自由水，得到抗菌口罩芯片。

本发明优选采用将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉经混合分散后进行减压冷冻制备魔芋葡甘聚糖活性炭海绵，减压冷冻将自由水冷冻结冰，经干燥后结冰水升华，原水所留空间形成稳定孔道，并且所形成孔径大小均一，孔隙率高。该魔芋葡甘聚糖活性炭海绵释放水分形成孔道，比表面积迅速扩增，为纳米银的负载提供了足够的空间，同时能够将活性碳粉和纳米银充分暴露，为吸附空气中的颗粒物质、杀灭病菌提供更多的位点，能够充分利用活性炭和纳米银的特性，有效提高抗菌层的抗菌性能。采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面将魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液制备成魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜，然后结合浸渍法和还原反应法负载纳米银，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜得一体物。魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜作为口罩芯片的抗菌层，首先利用粒径筛选，将微小粒径颗粒物阻挡在抗菌层，同时利用抗菌层表面含有的大量抗菌物质对所滤过的病菌进行抑制、杀灭。通过先负载纳米氧化锌制备得到魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜再负载纳米银，最大程度上保证了抗菌层表面负载有大量的抗菌物质，可以在最短时间内将滤过保留的病菌杀灭，保证输送到人体的空气洁净清新。

本发明中魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为2％～3％，无水碳酸钠的质量百分数为0.4％～0.55％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％～0.95％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为15kHz～50kHz，时间为30min～40min；静置的温度为25℃～35℃，时间为10h～20h；所述加热保温的温度为80℃～100℃，时间为15min～20min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.7mm～1.2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为56％～75％。

本发明优选采用含有竹原纤维的碳酸钠溶液将魔芋葡甘聚糖溶解分散后，经加热保温进行不可逆凝胶化处理，再经冻融法去除自由水，从而得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜。该方法可促进魔芋葡甘聚糖充分溶胀并均匀分散在含有竹原纤维的碳酸钠溶液中，经不可逆凝胶化后形成孔隙均匀的孔隙结构，有效去除孔隙中的药品和原料残留，从而控制魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的孔径和竹原纤维表面的凹槽、孔隙和裂纹的暴露程度，进一步提高对空气中的大颗粒粉尘及PM10颗粒物的阻挡、过滤效果。因此，采用上述方法得到的魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.7mm～1.2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为56％～75％，甚至可阻挡和截留PM2.5，减少后续吸附层的处理量，有利于提高杀菌效果。

本发明中抗菌口罩芯片的粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3的厚度、孔径和孔隙率有利于提高对应各层的过滤性能和抗菌性能，且符合人体学，提高了使用舒适度。

实施例1

如图1所示，本实施例的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3组成，所述粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜，所述魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵及魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％，活性炭粉的质量百分数为2％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为15kHz，时间为20min；所述减压冷冻的温度为-70℃，真空度为40Pa，时间为45h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为70％；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为1％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为50℃，时间为2h～3h；

然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1h；所述干燥的温度为80℃，时间为3h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.2mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为81％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为2％，无水碳酸钠的质量百分数为0.4％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.8％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为15kHz，时间为30min；静置的温度为25℃，时间为10h；所述加热保温的温度为80℃，时间为15min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.7mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为56％。

将上述方法制备的魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜一体物，按照口罩的尺寸规格要求剪裁，得到抗菌口罩芯片。

实施例2

如图1所示，本实施例的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3组成，所述粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜，所述魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵及魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的制备方法包括以下步骤：

魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.95％，活性炭粉的质量百分数为5％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为50kHz，时间为25min；所述减压冷冻的温度为-90℃，真空度为80Pa，时间为48h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为85％；

魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为2％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为56℃，时间为3h；

浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1.5h；所述干燥的温度为90℃，时间为4h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.7mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为89％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为3％，无水碳酸钠的质量百分数为0.55％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.95％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为50kHz，时间为40min；静置的温度为35℃，时间为20h；所述加热保温的温度为00℃，时间为20min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为1.2mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为75％。

将上述方法制备的魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜一体物，按照口罩的尺寸规格要求剪裁，得到抗菌口罩芯片。

实施例3

如图1所示，本实施例的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3组成，所述粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜，所述魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵及魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.85％，活性炭粉的质量百分数为3％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为30kHz，时间为22min；所述减压冷冻的温度为-75℃，真空度为50Pa，时间为46h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1.4mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为74％；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为1.4％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为53℃，时间为2.4h；

然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1.2h；所述干燥的温度为84℃，时间为3.4h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.4mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为84％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为2.4％，无水碳酸钠的质量百分数为0.48％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.85％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为30kHz，时间为34min；静置的温度为28℃，时间为14h；所述加热保温的温度为86℃，时间为16min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为0.9mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为59％。

将上述方法制备的魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜一体物，按照口罩的尺寸规格要求剪裁，得到抗菌口罩芯片。

实施例4

如图1所示，本实施例的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3组成，所述粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜，所述魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵及魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.91％，活性炭粉的质量百分数为4％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为45kHz，时间为24min；所述减压冷冻的温度为-85℃，真空度为70Pa，时间为46.5h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1.8mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为83％；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为1.8％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为54.5℃，时间为2.7h；

然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1.4h；所述干燥的温度为87℃，时间为3.6h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.6mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为87％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为2.7％，无水碳酸钠的质量百分数为0.53％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.93％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为45kHz，时间为38min；静置的温度为33℃，时间为16h；所述加热保温的温度为91℃，时间为15min～20min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为1.1mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为72％。

将上述方法制备的魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜一体物，按照口罩的尺寸规格要求剪裁，得到抗菌口罩芯片。

实施例5

如图1所示，本实施例的抗菌口罩芯片从外到内分别由粗过滤层1、吸附层2和抗菌层3组成，所述粗过滤层1为魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜，所述魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵及魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将魔芋葡甘聚糖和活性炭粉加入到纯净水中得到混合溶液；其中，混合溶液中魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.94％，活性炭粉的质量百分数为4.9％；

对混合液进行超声分散，然后平铺于玻璃板上，进行减压冷冻，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵；其中，超声分散的频率为48kHz，时间为24.5min；所述减压冷冻的温度为-87℃，真空度为78Pa，时间为47.5h；所述魔芋葡甘聚糖活性炭海绵的厚度为1.9mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为85％；

将魔芋葡甘聚糖加入到去离子水中后进行溶胀，使其充分吸水溶解即可，然后加入纳米氧化锌并混合均匀，得到魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液；将所得魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液采用静电纺丝法在魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面制备魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜；其中，魔芋葡甘聚糖纳米氧化锌溶液中魔芋葡甘聚糖和纳米氧化锌的质量百分数均为2％；

将表面制备有魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的魔芋葡甘聚糖活性炭海绵浸入硝酸银溶液中进行加热，在去离子水中冲洗2～3次，其中，硝酸银溶液的浓度为0.5mol/L，所述恒温加热为水浴恒温加热，所述加热的温度为55℃，时间为3h；

然后浸入硼氢化钠溶液中进行还原反应，洗涤，干燥，得到魔芋葡甘聚糖活性炭海绵和魔芋葡甘聚糖载纳米氧化锌多孔膜的一体物；其中，硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，所述还原反应的时间为1.5h；所述干燥的温度为87℃，时间为4h；所述魔芋葡甘聚糖载纳米银氧化锌多孔膜的厚度为0.6mm，孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为88％；

魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的制备方法包括以下步骤：

将竹原纤维加入到纯净水中搅拌均匀，然后加入无水碳酸钠至溶解，再加入魔芋葡甘聚糖，得到混合溶液；其中，所述混合溶液中竹原纤维的质量百分数为3％，无水碳酸钠的质量百分数为0.55％，魔芋葡甘聚糖的质量百分数为0.94％；

将混合溶液进行超声分散，然后平铺于上述所制“一体物”——魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵的另一面，即魔芋葡甘聚糖活性炭海绵表面，静置，再进行加热保温；其中，所述超声分散的频率为48kHz，时间为39min；静置的温度为33℃，时间为19h；所述加热保温的温度为95℃，时间为19min；

经加热保温后的混合溶液进行冷冻，解冻后去除自由水，得到魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜以及本发明的口罩芯片；魔芋葡甘聚糖-竹原纤维多孔膜的厚度为1.1mm、孔径为1.5μm～2.5μm，孔隙率为74％。

将上述方法制备的魔芋葡甘聚糖竹原纤维多孔膜、魔芋葡甘聚糖活性炭载纳米银海绵和魔芋葡甘聚糖载银氧化锌多孔膜一体物，按照口罩的尺寸规格要求剪裁，得到抗菌口罩芯片。

将实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片、以壳聚糖为抗菌成分的抗菌口罩滤芯和愈邦医用抗菌敷料进行抗菌性能检测，其具体过程为：将实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片、以壳聚糖为抗菌成分的抗菌口罩滤芯和愈邦医用抗菌敷料分别取直径为10mm的圆形样品置于无菌表面皿中，然后将金黄色葡萄球菌菌液(菌体浓度为2×104个/mL)分别滴加到各无菌表面皿中的圆形样品中，作为实验组，另外将金黄色葡萄球菌菌液直接滴加到无菌表面皿中作为空白对照组，每个实验组和空白对照组均设三个平行；将实验组和空白对照组均放入37℃恒温培养箱内培养，分别在培养1.5h、3h、4.5h和6h时采用显微镜观测并记录各培养皿中的圆形样品上的菌落数，并取三个平行中的平均值作为每组的菌落数，计算实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片、以壳聚糖为抗菌成分的抗菌口罩滤芯和愈邦医用抗菌敷料的杀菌率，结果如下表1所示。

其中，杀菌率(％)＝(空白组的菌落数-实验组的菌落数)/空白组的菌落数×100％。

表1 实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片、以壳聚糖为抗菌成分的抗菌口罩滤芯和愈邦医用抗菌敷料的杀菌率

从表1可知，本发明实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片对金黄色葡萄球菌的杀菌率可达94.7％以上，远高于以壳聚糖为抗菌成分的抗菌口罩滤芯，接近愈邦医用抗菌敷料，说明本发明的抗菌口罩芯片对金黄色葡萄球菌具有较优的抗菌性能，且其抗菌性能优于市场上的抗菌口罩滤芯的抗菌性能，仅稍次于医用抗菌敷料的抗菌性能。

将实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片和市场上的抗菌口罩滤芯(Ticentry)过滤PM2.5的性能进行检测，采用的检测仪器为便携式美国TSI8530粉尘仪Dust pm2.5直测仪，检测经实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片和市场上的抗菌口罩滤芯处理后的室内空气的PM2.5浓度，测试前室内空气中的PM2.5浓度为36.4μg/m3，结果如下表2所示。

其中，PM2.5去除率(％)＝(36.4μg/m3-处理后的室内空气的PM2.5浓度)/室内空气中PM2.5浓度×100％。

表2 实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片和市场上的抗菌口罩滤芯的PM2.5去除率

表2中“-”表示无此项内容。

从表2可知，本发明实施例1～实施例5的抗菌口罩芯片对PM2.5的去除率可达95％以上，远远高于市场上的抗菌口罩滤芯的PM2.5去除率，且可将室内空气中的PM2.5浓度降至国际卫生组织标准规定的10μg/m3以下，去除效果好，可提供洁净的空气，以满足人体健康的需要。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。