一种过滤层及口罩

摘要

本发明提供了一种过滤层及口罩，涉及新材料领域。过滤层是由纳米纤维以穿插于具有三维多孔结构的载体内部的方式复合而成。在上述过滤层中，穿插于三维多孔结构的纳米纤维与载体配合从而使得过滤层在保持有一定的孔隙率的同时，具有阻力小、过滤效果佳的优点。采用上述过滤层制作而成的口罩兼有呼吸舒适度佳、过滤性能高的优点。

权利要求

1.一种过滤层，其特征在于，包括载体和纳米纤维，所述载体具有三维多孔结构，所述纳米纤维的直径小于500纳米，所述纳米纤维以穿插于所述三维多孔内部的方式附着于所述载体；

所述过滤层主要通过分散步骤和干燥步骤将所述载体和所述纳米纤维复合而成，所述分散步骤包括将含有所述纳米纤维的纳米纤维溶液分散于所述载体内以得到分散系，所述干燥步骤包括对所述分散系进行干燥；

其中，所述纳米纤维溶液是由所述纳米纤维分散于分散液制作而成，所述分散液是所述纳米纤维、所述载体的不良溶剂，并且在所述纳米纤维溶液中所述纳米纤维的质量浓度为0.05‰～8‰。

2.根据权利要求1所述的过滤层，其特征在于，在所述纳米纤维溶液中纳米纤维的质量浓度为3‰～5‰。

3.根据权利要求1所述的过滤层，其特征在于，所述纳米纤维包括聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、壳聚糖、甲壳素、竹纤维中一种或多种；所述分散液为水或者乙醇。

4.根据权利要求1至3之一所述的过滤层，其特征在于，所述载体负载有抗菌材料，所述抗菌材料包括有机抗菌物质和无机抗菌物质，其中，所述无机抗菌物质包括选自银、铜、锌、钛的纳米金属离子及纳米金属氧化物中的一种或多种，所述纳米金属氧化物包括纳米二氧化钛，所述有机抗菌物质包括选自有机季胺盐、山梨酸、黄姜根醇以及有机金属中的一种或多种，所述有机金属包括有机锡。

5.根据权利要求1所述的过滤层，其特征在于，所述载体为无纺布或纳米海绵中的任一种或组合。

6.根据权利要求1所述的过滤层，其特征在于，在分散步骤中，将所述纳米纤维溶液分散于载体内的方法包括：将所述载体浸入所述纳米纤维溶液。

7.根据权利要求1所述的过滤层，其特征在于，在分散步骤中，将所述纳米纤维溶液分散于载体内的方法包括：将所述载体浸入所述纳米纤维溶液得到分散系，然后直接对所述分散系进行超声波振荡，或将所述分散系布置在摇床中并进行超声波振荡。

8.根据权利要求7所述的过滤层，其特征在于，在所述干燥步骤中，干燥经过超声波振荡或在摇床中进行超声波振荡的所述分散系的方法包括：阶段微波干燥以及循环微波干燥中的任一种，其中，所述循环微波干燥包括重复进行多个干燥程序，每个所述干燥程序包括微波干燥所述分散系、然后再浸入所述纳米纤维溶液。

9.一种口罩，其特征在于，其包括如权利要求1-8任意一项所述的过滤层。

10.根据权利要求9所述的口罩，其特征在于，其所述过滤层还包括至少一层驻极纤维层。

说明书

一种过滤层及口罩

技术领域

[0001] 本发明涉及新材料领域，具体而言，涉及一种过滤层及口罩。

背景技术

[0002] 随着我国经济的高速发展，环境问题日趋严峻，以雾霾尤为突出。据统计，我国每年肺癌新增患者数量高达70万人，PM2.5造成人口的超额死亡率高达0.9‰，是交通事故的十倍。雾霾、PM2.5等受灾人群高达8亿人，促生的呼吸防护产品的市场容量高达百亿元。

[0003] 人们通常采用佩戴口罩等方式缓解各类空气污染对人体造成的不良影响。其中空气过滤材料可防止颗粒和污染物进入人体，对减少吸入颗粒物对人体健康的损害和预防疾病的传播具有重要的作用。影响其过滤性能的因素很多，如纤维线密度，以及纤网结构、厚度和密度等。作为防护口罩，不仅具有较高的过滤效率，也要尽可能地降低其呼吸阻力，这是一对矛盾体，也是消费者关注的焦点问题。

[0004] 然而现有的防雾霾口罩往往会阻碍呼吸、阻塞毛细血管，造成使用者皮肤红肿、疼痛、呼吸困难等问题，且长时间佩戴容易滋生细菌，造成二次污染。发明人经过研究发现，现有材料大多通过将基材和过滤材料以层状方式布置，形成具有叠层结构的口罩。但是，由于现有过滤材料以及现有口罩叠层结构的缺陷，使口罩的结构呼吸阻力较大，且过滤效果差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种过滤层及口罩，其旨在改善现有口罩不能兼有过滤效率高及呼吸阻力小的问题。

[0006] 本发明提供一种技术方案：一种过滤层，其特征在于，包括载体和纳米纤维，载体具有三维多孔结构，纳米纤维的直径小于500纳米，纳米纤维以穿插于三维多孔内部的方式附着于载体。过滤层主要通过分散步骤和干燥步骤将载体和纳米纤维复合而成，分散步骤包括将含有纳米纤维的纳米纤维溶液分散于载体内以得到分散系，干燥步骤包括对分散系进行干燥。其中，纳米纤维溶液是由纳米纤维分散在分散液制作而成，分散液是纳米纤维、载体的不良溶剂，并且在纳米纤维溶液中纳米纤维的质量浓度为0.05‰～8‰。

[0007] 一种口罩，其包括上述的过滤层。

[0008] 本发明实施例提供的过滤层及口罩的有益效果是：过滤层是采用具有纳米级尺寸的纳米纤维和具有三维多孔结构的载体复合而成。通过将载体浸入含有纳米纤维的纳米纤维溶液中，使纳米纤维分散穿插在载体的三维孔隙内，再通过干燥得到过滤层。纳米纤维属于超细纤维，通过将其分散在载体内部的孔隙中，使得过滤层内形成密集而孔径适中的细小孔洞，从而使载体具有较好的过滤效果的同时，还可以有效降低气体通过阻力。采用上述过滤层制作口罩，可以使口罩获得兼有舒适度佳、呼吸顺畅、过滤性高的优点。

附图说明

[0009] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0010] 图1为本发明实施例提供的过滤层断面结构示意图；

[0011] 图2为现有口罩的过滤体的断面结构。

[0012] 图标：101-纳米纤维；102-载体；201-过滤材料；202-基材。

具体实施方式

[0013] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

[0014] 下面对本发明实施例的过滤层及口罩进行具体说明。

[0015] 一种过滤层，包括载体和非织造纳米纤维。其中，载体具有三维多孔结构；纳米纤维的直径小于500纳米，并且纳米纤维是以穿插于三维多孔内部的方式附着于载体。

[0016] 其中，纳米纤维可以有多种选择，例如纳米纤维包括但不限于聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、壳聚糖、甲壳素、竹纤维中一种或多种；分散液为水或者乙醇。

[0017] 较佳地，纳米纤维选择纳米壳聚糖或竹纤维。壳聚糖、竹纤维具有天然、无害的优点，并且壳聚糖和竹纤维易降解，因此，不会在环境中造成有害物质残留的问题，有利于在环保等级要求较高的领域使用。进一步地，壳聚糖和竹纤维具有抗菌功效，可以对常见微生物起到杀灭效果，从而提高过滤层的性能。

[0018] 其中，载体可根据需要选用。本发明实施例中，载体为无纺布、过滤海绵或纳米海绵中的任一种或组合。

[0019] 由于口罩长时间佩戴，容易滋生细菌等微生物，为进一步提高附加值，可根据需要负载抗菌材料。抗菌材料可根据过滤层中的载体和纳米纤维选择，包含有机抗菌物质和无机抗菌物质。其中，无机抗菌物质包括选自银、铜、锌、钛的纳米金属离子及其氧化物中的一种或多种，如纳米银离子。纳米金属氧化物包括纳米二氧化钛。

[0020] 其中，有机抗菌物质包括选自有机季胺盐、山梨酸、黄姜根醇以及有机金属中的一种或多种，有机金属包括有机锡。

[0021] 本发明实施例提供的过滤层的制作方法如下：

[0022] 主要通过分散步骤和干燥步骤将载体和纳米纤维复合而成。

[0023] S101、分散步骤

[0024] 分散步骤包括将含有所述纳米纤维的纳米纤维溶液分散于载体内以得到分散系。干燥步骤包括对分散系进行干燥。

[0025] 其中，纳米纤维溶液是由纳米纤维分散在分散液制作而成，分散液是纳米纤维、载体的不良溶剂，并且在纳米纤维溶液中纳米纤维的质量浓度为0.05‰～8‰。

[0026] 较佳地，在纳米纤维溶液中，纳米纤维的质量浓度为0.03‰～6‰，更佳地，纳米纤维的质量浓度为0.01‰～3‰，进一步地，在纳米纤维溶液中，纳米纤维的质量浓度为3‰～5‰。更优选地，纳米纤维的质量浓度为5‰。

[0027] 将纳米纤维溶液分散于载体的方法包含浸入法。进一步地，在本发明的其他实施例中，将纳米纤维溶液分散于载体的方法是将载体浸入纳米纤维溶液得到分散系，然后对分散系进行超声波振荡。

[0028] 更进一步地，对分散系进行超声波振荡是在摇床中进行的。通过结合摇床和超声波振荡，使分散系受到充分的震动，产生剧烈的搅拌效果，从而提高纳米纤维和载体的接触程度，更有利于纳米纤维被浸入载体内部，使内部的纳米纤维与载体之间在横向和纵向多维度相互穿插和交叉。

[0029] 纳米纤维由于具有很高的比表面积和较高的表面能，使得纳米粒子极易发生团聚。利用超声波分散纳米纤维，是利用超声波空化时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等，打开团聚的纳米纤维，使纳米纤维均匀分散于载体三维多孔结构中。

[0030] S102、干燥步骤

[0031] 在干燥步骤中，干燥分散系的方法包括：阶段微波干燥以及循环微波干燥中的任一种，其中，循环微波干燥包括重复进行多个干燥程序，每个干燥程序包括微波干燥分散系、然后再浸入纳米纤维溶液。

[0032] 阶段微波干燥：将负载有纳米纤维的载体于微波干燥5-10min后，冷却至室温，然后继续微波干燥，重复以上步骤，直至干燥完成。

[0033] 循环微波干燥：将载体浸入在纳米纤维液后，对其多次干燥，然后再将其浸入纳米纤维液、多次干燥。重复上述干燥和浸入纳米纤维液的步骤多次。

[0034] 微波干燥以特殊的加热方式使负载有纳米纤维的载体的温度在短时间内快速升高，微波的体加热方式使其干燥曲线是逆温曲线，即温度梯度同水分蒸发方向一致，这非常有利于干燥过程的快速平衡均匀进行。且微波干燥提高干燥推动力致使干燥时间非常短，有利于纳米纤维保持原有的特性。此外，微波干燥以其高速的分子振荡激发极性分子不停地改变取向而产生非热效应，加速干燥过程，使最终得到的过滤层表里一致，水分分布均匀。

[0035] 本干燥步骤中，被干燥的分散系是通过分散步骤得到的分散系。例如，可以是将载体浸入纳米纤维液制作而成，也可以是将载体浸入纳米纤维液后通过超声波振荡或者在摇床中进行超声波振荡制作而成。

[0036] 本发明中，采用具有三维多孔结构的载体和纳米纤维为主要原料，将两者复合而成制得过滤层。其中，载体作为过滤层的主体，具有三维多孔结构。分布于载体的三维多孔作为超细纤维的承载主体，提供容纳纳米纤维的空间(如三维多孔)。在过滤层中，非织造纳米纤维是容纳于载体中的，更具体地，纳米纤维是以穿插的形式分布在载体内的三维多孔内。纳米纤维在载体内部纵横交错，彼此之间形成相互穿插、纠缠，从而牢固地附着在载体，并且使载体保持一定的孔隙率，从而使过滤层获得较好的过滤效果，同时还能够具有呼吸阻力小的优点。

[0037] 本发明实施例提供的一种典型过滤层的断面结构可参见图1，其中，纳米纤维101分布于载体102内的三维多孔内。

[0038] 基于上述过滤层，本发明提供了一种含有上述过滤层的口罩。进一步地，口罩还可根据需要选择设置驻极体纤维层，以提高口罩的过滤效果以及对有害物质的捕集率。其中，驻极体纤维层可以是一层也可以多层。在本发明的一些实施例中，构成口罩的驻极体纤维层与过滤层之间的设置方式可以为相互贴合连接。

[0039] 现有的口罩中的过滤体，一般采用基材与过滤材料以层状方式布置而成，即过滤材料覆盖在基材上。采用上述结构设计的口罩，其呼吸阻力较大，且过滤效果难以得到改善。现有口罩的过滤体的断面结构请参加图2，其具有层状结构，其中，过滤材料201以层状的布置在基材202表面。

[0040] 以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：

[0041] 实施例1

[0042] 一种过滤层。制作过滤层的方法包括：将直径小于500纳米的纳米纤维均匀分散于水中得到纳米纤维质量浓度为0.1‰的纳米纤维溶液，将上述纳米纤维溶液均匀分散于过滤海绵中，通过阶段微波干燥的干燥步骤得到过滤层。在本实施例中，上述纳米纤维为竹纤维。

[0043] 实施例2至实施例11所提供的过滤层的制作方法如非特别说明，均与实施例1所给出的制作方法流程相同，且各个实施例中过滤层制作方法的反应参数和条件如表1所示。

[0044] 需要特别说明的是：

[0045] 实施例6中，载体是负载有纳米银的过滤海绵，并且将负载有纳米银的海绵浸入于纳米纤维溶液后，微波干燥之前，还采用超声波振荡。

[0046] 实施例7中，载体是海绵与无纺布的复合材料，并且将负载有纳米银的海绵浸入纳米纤维溶液后，微波干燥之前，还采用在摇床中进行超声波振荡。

[0047] 实施例10中，载体是负载有机季胺盐的纳米海绵。干燥步骤为循环微波干燥。具体地，循环微波干燥包括重复进行多个干燥程序，每个干燥程序包括微波干燥分散系、然后再浸入纳米纤维溶液。即将负载有机季胺盐的纳米海绵微波干燥，再将其浸入所述纳米纤维溶液，再进行微波干燥，循环进行上述步骤。

[0048] 实施例11中，纳米纤维为聚苯乙烯，载体是纳米海绵。纳米聚苯乙烯纤维溶液分散于纳米海绵的方法具体为，将纳米海绵浸入聚苯乙烯溶液，于摇床中进行超声波振荡10min，微波干燥。再次浸入纳米聚苯乙烯纤维溶液，于摇床中进行超声波振荡10min，再微波干燥10min。

[0049] 表1过滤层制备工艺参数和条件

[0050]

[0051] 注，表1中，+表示含有，-表示不含有。

[0052] 试验例一

[0053] 实验目的：对本发明实施例1-11中提供的过滤层的过滤性能进行测试。

[0054] 实验对象：由实施例1至11提供的过滤层。

[0055] 实验方法：按照GB2626-2006所提供的方法进行测试。本试验例中，测试温度20℃，检测流量85L/min，测试介质为NaCl颗粒(≥0.3μm)，测试面积为100cm2。

[0056] 测试结果如表2。

[0057] 表2过滤层过滤性能测试结果

[0058]

[0059] 通过表2中过滤层测试结果可知，经过纳米纤维层的加入，本发明实施例提供的过滤层对粒径在0.3μm以下的NaCl的颗粒的过滤效率有很大程度的提高且保持较小的阻力。同等测试条件下，过滤海绵的过滤效率，仅达到35.1％，而采用在内部复合有纳米纤维的过滤海绵制作的过滤层其过滤效果可达到63.8％，且呼吸阻力相比于原有过滤海绵的变化很小。

[0060] 试验例二

[0061] 实验目的：对口罩的过滤性能进行测试。

[0062] 实验对象：取实施例6提供的过滤层与驻极纤维层复合采用本领域的常规方法制作而成的15个相同口罩。

[0063] 分别对实验组口罩进行过滤效率、呼吸阻力的测试。测试方法参照GB2626-2006，测试完成后，计算15个实验组结果的平均值，其结果如表3。

[0064] 表3含过滤层口罩对不同尺寸颗粒物的过滤性能测试结果

[0065]检测流量(L/min) 85 85 85 85 85 85
NaCl粒径(μm) ≧0.3 ≧0.5 ≧1.0 ≧2.0 ≧5.0 ≧10.0
阻力(Pa) 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0
平均效率(％) 96.25 98.53 99.55 99.78 99.99 100

[0066] 通过表3测试结果可知，含本发明提供的由过滤层与驻极纤维层复合而成的口罩对不同尺寸颗粒物具有很好的过滤效率。对粒径在0.3μm以下的NaCl的颗粒的过滤效率高达96.25％，此外，该口罩的阻力低至21.0Pa。本发明提供的口罩兼具过滤效率高、呼吸阻力小的优点。

[0067] 试验例三

[0068] 实验目的：对口罩的过滤性能进行测试。

[0069] 实验对象：由过滤层与驻极纤维层复合，并采用本领域的常规方法制作而成的11组口罩。

[0070] 在市场上购买KN90类口罩和KN95类口罩。

[0071] 其中，11组口罩分别对应采用由上述实施例1至实施例11中所提供的过滤层，例如第一组口罩对应采用实施例1中提供的过滤层制作而成。

[0072] 实验方法：测试方法参照GB2626-2006。

[0073] 其结果如表4所示。

[0074] 表4口罩过滤性能测试结果

[0075]

[0076]

[0077] 由表4中的数据可以看出，相比于现有市售的KN90和KN95口罩，本发明提供的1-11组口罩对粒径大于0.3μm的颗粒的过滤效率高达90％以上，呼吸阻力也较低，且皆在20Pa左右，而KN90和KN95口罩的阻力均在100Pa以上。本发明实现了兼顾过滤效率高、呼吸阻力小的目的。

[0078] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。