用于口罩的滤芯

摘要

本发明公开了针对个体呼吸防护的梯度孔隙率结构滤芯和使用该滤芯的口罩，口罩可为不可拆卸式或可替换滤芯式。滤芯包括外层、中间和内层过滤层。外层过滤层和中间过滤层在展向具有非均匀的孔隙率；内层过滤层具有均匀的孔隙率；非均匀孔隙率可以在展向连续变化，也可以在展向有限数量人为划分的区域上阶梯分布。外层、中间过滤层的平均孔隙率和内层过滤层的孔隙率梯度递减。滤芯的纤维随机无序排列，如熔喷无纺布、静电纺丝棉等材料。本发明可兼顾呼吸阻力和过滤效率；使滤芯展面的气流流量和颗粒物堆积均匀分布，改善滤芯的颗粒污物分布不均匀而使局部堵塞过快引起过早失效，延长滤芯的使用寿命，以减少口罩滤芯的消耗数量、资源浪费和污染。

权利要求

1.一种用于口罩的滤芯，其特征在于，包括：外层过滤层，中间过滤层，内层过滤层；所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层的材料一致，为纤维随机分布的多孔介质材料；所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层由外至内依次叠放设置；三层过滤层的平均孔隙率由外向内依次减小，从而使所述外层过滤层主要用于过滤大粒径的颗粒物，所述中间过滤层主要用于过滤中等粒径的颗粒物，所述内层过滤层主要用于过滤前述的两层过滤层未能过滤掉的小粒径颗粒物；所述外层过滤层和中间过滤层在展向具有不同的孔隙率，所述在展向具有不同的孔隙率，是在展向从上侧到下侧孔隙率大小递减，从而补偿由于口鼻处形状位置影响造成通过滤芯下侧局部的气流流量过大、滤芯局部被颗粒物堵塞过快而造成的口罩过早失效，使得流量在滤芯上均匀分布；所述内层过滤层在展向具有相同的孔隙率；靠近人嘴部的口罩下侧为口罩流量最集中，也是最先失效区域。

2.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述在展向具有不同的孔隙率，是指孔隙率在展向上连续变化。

3.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述在展向具有不同的孔隙率，是指孔隙率在展向有限数量的人为划分区域上阶梯变化。

4.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层按顺序通过热压或者静电吸附方法复合在一起。

5.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述多孔介质材料为将聚合物熔融后喂入熔喷机，通过喷嘴喷出纤维丝，纤维丝在接收装置上冷却凝固成网后获得的熔喷无纺布。

6.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述多孔介质材料为在熔喷无纺布的基础上进行充电处理，使材料带电而得到的静电过滤棉。

7.根据权利要求1所述的滤芯，其特征在于，所述多孔介质材料为将聚合物溶液或者熔体在强电场中进行喷射纺丝，在接受装置上凝固后成网后获得的静电纺丝棉。

8.一种口罩，其滤芯为权利要求1至7所述的任意一种滤芯，该口罩为滤芯可替换式，可通过更换滤芯进行重复利用。

9.一种口罩，其滤芯为权利要求1至7所述的任意一种滤芯，该口罩的滤芯与口罩外面的包覆层在边缘一圈压制为一体，不可拆卸。

说明书

用于口罩的滤芯

技术领域

[0001] 本发明涉及一种针对个体呼吸防护口罩的滤芯，以及采用该滤芯的口罩。

背景技术

[0002] 近年来雾霾天气频发，为了应对雾霾天气，防霾口罩成为人们外出最常佩戴的防护用品；在如精密加工、封闭开采等工业现场，防尘口罩是保障操作人员生命健康和安全的
必备品；无论是防霾口罩还是防尘口罩，其防护效果取决于滤芯。

[0003] 目前市面上的口罩大多采用熔喷无纺布和静电滤棉两种滤芯；熔喷无纺布过滤材料对微粒的捕集能发挥截留、惯性和重力沉降等机械捕集机理，静电滤棉是在熔喷无纺布
的基础上进行充电处理的过滤材料，主要通过熔喷纤维结构的无规律性和静电力的吸附作
用对污染物进行过滤。

[0004] 中国专利申请201710129353.5(公开号CN106723520A)，公开了一种防雾霾口罩主体材料及口罩，其中的防雾霾口罩主体材料为滤芯，包括按序层叠复合的第一过滤层和第
二过滤层；所述第一过滤层，具体为针刺静电棉；所述第二过滤层，具体为经拒水处理的驻
极熔喷无纺布；所述第一过滤层的外表面还复合有外层，该外层具体为经拒水处理的熔喷
无纺布；所述第二过滤层的内表面还复合有内层，该内层具体为无OIT的抗菌布；所述层叠
复合方式具体为：超声波粘合方式、热轧粘合方式或者物理粘合方式。该专利提供了一种具
体实施方式，即利用作为第一过滤层的针刺静电棉过滤PM3，利用作为第二过滤层的熔喷无
纺布过滤PM2.5；该专利的主要不足在于：两层过滤层涉及两种材料，因此在制造时需要两
种不同的制造工艺，这使得制造工艺繁琐；仅实现了PM3和PM2.5的分级过滤，对直径小于
2.5μm颗粒没有分级过滤，因此过滤效率比较低。

[0005] 日本专利申请JP2016-229653(公开号JP2018-87387A)，公开了一种防霾口罩，主体材料为包括滤芯和口罩外层的口罩；该专利通过设计口罩面体部分的材料与靠近耳朵部
分的材料在通气度与刚性上不同，即口罩面体部分材料的通气度和刚性高于口罩靠近耳朵
部分的材料，通过这样的设计，目的在于减少口罩靠近耳朵部分的漏气问题；该专利的主要
不足在于：在该专利中，材料的通气度和佩戴时的实际通量是等价的关系，即该专利认为口
罩的通气度提高时相应位置的通气量也随之提高，而该专利的口罩在实际佩戴时人嘴鼻附
近的滤芯最先被颗粒堵塞而呼吸阻力增大引发失效，其他部位的滤芯仍存在过滤功能，从
而造成滤芯使用寿命减短，口罩被过早抛弃。

发明内容

[0006] 本发明针对人在实际佩戴口罩时，滤芯孔隙在局部被颗粒堵塞过快而失效的问题，提供一种在展向和纵向都具有梯度孔隙率的口罩滤芯。

[0007] 由于滤芯属于多孔介质，所述孔隙率是指滤芯作为多孔介质的孔隙率；孔隙率即为材料中孔隙体积占材料在自然状态下总体积的百分比。

[0008] 本发明中，定义，在佩戴时贴合人脸表面的曲面为展面，垂直于展面的方向为纵向(图1中箭头所示方向)，沿展面由上侧到下侧的方向为展向；如图1所示，11、12、13、14、15所
在的空间曲面为展面，沿展面的由上侧到下侧的方向为展向，即为图中箭头所示方向；因此
这里所述在展向有梯度孔隙率结构的一种实施方式即为11、12、13、14、15五部分的孔隙率
呈梯度变化。

[0009] 本发明中，定义，在佩戴时滤芯靠近人面部的一侧为内侧，远离人面部的一侧为外侧。

[0010] 本发明中，定义，在佩戴时滤芯位于人脸上部、靠近鼻部的一侧为上侧，位于人脸下部、靠近嘴部的一侧为下侧。

[0011] 现有滤芯在实际使用时，由于人口鼻位置和形状的影响，在滤芯下侧靠近嘴部的部分气流流量最大，因此该处的纤维间孔隙中最先出现颗粒堵塞过多而导致呼吸阻力过大
进而引起滤芯的过早失效；现有口罩滤芯并未考虑气流流量在口罩下侧分布过大的问题，
因此现有口罩滤芯都存在寿命短的问题，导致口罩更换频繁。

[0012] 针对孔隙率为0.73的现有滤芯，通过数值模拟实际佩戴工况，可得到在滤芯下侧靠近人脸嘴部的区域气流流量最大，单位展面面积上的气流体积流量为0.0165m3/(s·
㎡)，而在与该区域对称的上侧气流流量最小，单位展面面积上的气流体积流量为
3
0.0117m /(s·㎡)，不均匀度可达到34.32％；这种流量分布的不均匀会使滤芯不同部位通
过的颗粒物数量不均匀，即在流量大的区域通过的颗粒物多，因此在滤芯下侧靠近嘴部部
位最先发生纤维间隙被颗粒物堵塞，进而呼吸阻力增大而引发滤芯过早失效。

[0013] 基于上述研究分析，针对均匀孔隙率结构的滤芯导致人在使用口罩时流量在展向分配不均匀而造成的滤芯过早失效，为解决上述技术问题和提高滤芯的过滤效果，本发明
的设计方案是：

[0014] 提供一种滤芯，它包括外层过滤层、中间过滤层和内层过滤层；外层过滤层、中间过滤层和内层过滤层由外向内依次叠放设置；三层过滤层在纵向具有梯度结构的孔隙率；
所述外层过滤层和中间过滤层在展向具有不同的孔隙率；所述内层过滤层在展向具有相同
的孔隙率。

[0015] 在本发明中，定义，平均孔隙率为某一过滤层孔隙率对该过滤层展面总面积的面积平均值。

[0016] 进一步地，所述三层过滤层的纵向梯度结构孔隙率是指三层的平均孔隙率由外侧向内侧依次递减。

[0017] 进一步地，所述外层过滤层在展向具有的不同孔隙率是指由上侧向下侧孔隙率递减。

[0018] 进一步地，所述中间过滤层在展向具有的不同孔隙率是指由上侧向下侧孔隙率递减。

[0019] 进一步地，所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层按顺序通过热压、静电吸附等方法复合在一起。

[0020] 进一步地，所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层的材料一致，为纤维随机分布的多孔介质材料，如可为熔喷无纺布、静电过滤棉或静电纺丝材料。

[0021] 滤芯对颗粒物的过滤机理：由于颗粒物的质量较气体分子质量要大，因而颗粒物的惯性大，颗粒物比气体分子的运动状态更难改变，发生纤维绕流时容易撞上纤维或纤维
表面的颗粒沉积层而被捕获，之后由于范德华力、静电引力等作用，颗粒物附着在纤维上，
即实现过滤颗粒物的效果；由于小粒径的颗粒物的惯性、带电量等比较小，对气流的跟随性
强，更难被纤维捕获，因此颗粒的粒径越小，越难被过滤。

[0022] 当滤芯的孔隙率增大时，即孔所占滤芯的总体积增加，则纤维所占体积减少，颗粒物被纤维捕获的概率减低，随之过滤能力及过滤效果降低。

[0023] 由于滤芯的过滤能力随孔隙率的降低而提高，因此三层的过滤能力由外侧向内侧逐渐提高。

[0024] 由于最外层的孔隙率大，过滤能力比较低，虽有过滤小颗粒的功能，但主要用来过滤大粒径的颗粒物；中间层的孔隙率和主要过滤的颗粒物直径居中；对于未能被最外层和
中间层过滤掉的小颗粒物，由最内层进行过滤；采用这样的三层梯度孔隙率结构，可实现按
颗粒物直径的分级过滤，既可避免滤芯孔隙率过大造成的对小粒径颗粒物的过滤效果不
佳，又能防止滤芯的孔隙率过小造成的口罩压降过大，呼吸阻力增加，人佩戴时的舒适性降
低。

[0025] 通过外层过滤层和中间过滤层在展向上梯度变化的孔隙率结构，即在流量大的局部设置低孔隙率，在流量小的局部设置高孔隙率。由上向下依次设置递减的孔隙率结构，可
贴合在实际呼吸过程中通过均匀孔隙率滤芯的气流流量在展向分布不均匀的现状，即本发
明可以减弱由于人口鼻形状造成的吸气流量在靠近人嘴部的部位大的问题；把原先流量小
的局部设置为相对较大的孔隙率，从而降低阻力增大流量；孔隙率较大处相应阻力较小，孔
隙率较小处相应阻力较大，用孔隙率的梯度分布补偿佩戴口罩时存在的流量不均匀，使得
流量均匀，从而改善局部阻塞问题，提高滤芯使用寿命。

[0026] 内层过滤层具有均匀统一的孔隙率，从而避免滤芯上侧只能过滤大颗粒的情况，提高滤芯上侧的过滤能力。

[0027] 因此，本发明可以缓解滤芯局部即靠近人嘴部的部位先被颗粒堵塞而造成的失效过快，延长滤芯的使用寿命，减少口罩的更换频率；同时在不降低人佩戴口罩舒适度的前提
下，提高对颗粒物的过滤效率；因此本发明在口罩需求量巨大的今天具有极大的市场前景
和实际应用意义。

附图说明

[0028] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；下面描述中的附图是本发
明的一些实施方式，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的附图。

[0029] 附图1是本发明滤芯的展向和纵向区域划分示意图；

[0030] 附图2为使用本发明滤芯的口罩结构示意图；

[0031] 附图3对现有口罩滤芯在实际佩戴过程中流量分布矢量图，箭头长度与流量的数值成正比；

[0032] 附图4是本发明某一具体实施例3的示意图；

[0033] 附图5是本发明某一具体实施例4的示意图。

[0034] 附图1中标记如下：1-外层过滤层；2-中间层过滤层；3-内层过滤层。

[0035] 附图2中标记如下：11-外层过滤层横向带状区A区，12-外层过滤层横向带状区B区，13-外层过滤层横向带状区C区，14-外层过滤层横向带状区D区，15-外层过滤层横向带
状区E区；21-中间过滤层横向带状区A区，22-中间过滤层横向带状区B区，23-中间过滤层横
向带状区C区，24-中间过滤层横向带状区D区，25-中间过滤层横向带状区E区；3-内层过滤
层。

[0036] 附图4中标记如下：1-滤芯；2-棉布包覆外层；3-鼻夹；4-耳带；5-拉链。

[0037] 附图5中标记如下：1-滤芯；2-外层无纺布包覆材料；3-鼻夹；4-耳带。

具体实施方式

[0038] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明的主体部分为滤芯，主要用于过滤PM2.5级别的颗粒；本发明滤芯可与滤芯外面的包覆层组合构成口罩的过滤主体部分，其中包覆层的主要作用为过滤如花粉、大粒
径粉尘等直径大于2.5μm的颗粒。

[0040] 本发明使用的过滤材料为纤维无序排列的多孔介质材料，既可包括市面上大量采用的熔喷无纺布和静电滤棉，也可采用新兴的静电纺丝棉材料。

[0041] 熔喷原理：将聚合物熔融后喂入熔喷机，通过喷嘴喷出纤维丝，纤维丝在接收装置上冷却凝固后成网，从而形成熔喷无纺布，熔喷无纺布的纤维直径是在一个范围(1μm-10μ
m)内变化的，且纤维直径、孔隙率可以通过调节生产制造过程的工艺参数进行调整；静电滤
棉：在现有的过滤材料如熔喷无纺布的基础上进行充电处理，使过滤材料带电而得到静电
滤棉，进一步提高对颗粒物的捕获能力；静电纺丝：聚合物溶液或者熔体在强电场中进行喷
射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴由球形变为圆锥形(泰勒锥)，并从圆锥尖端延展得到
纤维细丝，纤维细丝在接受装置上凝固后成网，从而形成静电纺丝材料，其纤维直径是在一
个范围(约300nm-900nm)内变化的，且纤维直径、孔隙率可以通过调节生产制造过程的工艺
参数进行调整。

[0042] 对于随机纤维组成的过滤材料，由经验公式可得到材料的透气度随纤维直径、孔隙率的变化关系，即材料的透气度随孔隙率的增加而提高，随纤维直径的增加而增加；材料
对颗粒的过滤能力随孔隙率的增加而降低。

[0043] 实施例1：

[0044] 一种口罩滤芯；所述滤芯本体包括外层过滤层，中间过滤层，内层过滤层；所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层由外至内依次叠放设置；所述外层过滤层、所
述中间过滤层和所述外层过滤层均用于过滤颗粒污物，三层孔隙率由外向内依次减小，从
而实现外层过滤层主要过滤的颗粒大于中间过滤层主要过滤的颗粒，中间过滤层主要过滤
的颗粒大于内层过滤层过滤的颗粒；在外层过滤层和中间过滤层展向上各划分五个横向带
状区域，孔隙率由上向下依次减小，从而使气流流量在滤芯展向上均匀分布，防止局部因过
滤颗粒堵塞导致过快的失效，提高滤芯的使用寿命。

[0045] 本实例在展向的孔隙率是非连续变化的，相比本发明的另一应用——连续变化的孔隙率，本实例的生产工艺更为简单。

[0046] 所述外层过滤层依次减小的孔隙率是指在展向上将滤芯划分为五个横向带状区域，由上向下孔隙率可依次设置为0.78、0.77、0.76、0.75、0.74。

[0047] 所述中间过滤层依次减小的孔隙率是指在展向上将滤芯划分为五个横向带状区域，由上向下孔隙率依次设置为0.77、0.76、0.75、0.74、0.73。

[0048] 所述内层过滤层孔隙率为0.72。

[0049] 中间过滤层和外层过滤层的展向梯度孔隙率结构，从而使气流流量在展向均匀分布；内层过滤层整体采用均匀的孔隙率结构，以防上侧的孔隙率过大而产生对小粒径的颗
粒过滤效果差的后果，从而使得最终在展向各个区域对小粒径的颗粒都有理想的过滤效
果。

[0050] 所述三层过滤层的平均孔隙率由外向内依次减小是指三层平均孔隙率由外向内分别为0.76、0.75和0.72。

[0051] 由于孔隙率和通气度相关，即与呼吸时阻力相关，当孔隙率过小时呼吸阻力增加，孔隙率过大时过滤效果降低；因此该孔隙率分布的数值由现有的3M口罩滤芯约0.737的孔
隙率出发，这样设置的目的是使本滤芯与现有滤芯的呼吸阻力在保持相近的数值，避免本
滤芯孔隙率过小或者过大引起的呼吸阻力增加或者过滤效果降低。

[0052] 所述五个横向带状区域形状如图2所示：五个横向带状区域的划分由人佩戴口罩呼吸数值模拟计算模型出发，按照滤芯在展向的流量分布将滤芯划分为五个区域；图3表示
数值模拟结果中的流量分布矢量图，本实例的五个区域划分基于上述矢量图，将流量按数
值划分为五个区域，该五个区域对应的滤芯部位设置梯度的孔隙率。

[0053] 实施例2：

[0054] 一种口罩滤芯；所述滤芯本体包括外层过滤层，中间过滤层，内层过滤层；所述外层过滤层、所述中间过滤层和所述内层过滤层由外至内依次叠放设置；所述外层过滤层、所
述中间过滤层和所述外层过滤层均用于过滤颗粒污物，三层孔隙率由外向内依次减小，从
而实现外层过滤层主要过滤的颗粒大于中间过滤层主要过滤的颗粒，中间过滤层主要过滤
的颗粒大于内层过滤层主要过滤的颗粒；在外层过滤层和中间过滤层展向上，孔隙率由上
向下依次减小，从而使气流流量在滤芯展向上均匀分布，防止局部因颗粒堵塞过快导致过
快的失效，提高滤芯的使用寿命。

[0055] 本实例在展向的孔隙率是连续变化的，相比本发明的另一应用——展向分块非连续梯度变化的孔隙率，本实例的实际效果更佳。

[0056] 所述外层过滤层依次减小的孔隙率是指在展向上将滤芯的孔隙率从上侧到下侧由0.78到0.74连续减小，减小的具体规律或函数关系依照图3所示的气流流量分布，即流量
大的区域为小孔隙率，流量小的区域为大孔隙率。

[0057] 所述中间过滤层依次减小的孔隙率是指在展向上将滤芯的孔隙率从上侧到下侧由0.77到0.73连续减小，减小的具体规律或函数关系依照图3所示的气流流量分布，即流量
大的区域为小孔隙率，流量小的区域为大孔隙率。

[0058] 所述内层过滤层孔隙率为0.72。

[0059] 中间过滤层和外层过滤层的展向梯度孔隙率结构，从而使气流流量在展向均匀分布；内层过滤层整体采用均匀的孔隙率结构，以防上侧的孔隙率过大而产生对小粒径的颗
粒过滤效果差的后果，从而使得最终在展向各个区域对小粒径的颗粒都有理想的过滤效
果。

[0060] 所述三层过滤层的平均孔隙率由外向内依次减小是指三层平均孔隙率由外向内分别为0.76、0.75和0.72。

[0061] 由于孔隙率和通气度相关，即与呼吸时阻力相关，当孔隙率过小时呼吸阻力增加，孔隙率过大时过滤效果降低；因此该孔隙率分布的数值由现有的3M口罩滤芯0.737的孔隙
率出发，这样设置的目的是使本滤芯与现有滤芯的呼吸阻力在保持相近的数值，避免本滤
芯孔隙率过小或者过大引起的呼吸阻力增加或者过滤效果降低。

[0062] 实施例3

[0063] 一种滤芯可替换式防霾防尘口罩，如附图4所示，它包括滤芯1、棉布包覆外层2、鼻夹3、耳带4和拉链5；滤芯1置于棉布包覆外层2中，鼻夹3和耳带4均安放于棉布包覆外层上，
棉布包覆外层2顶部设置有拉链5。

[0064] 所述滤芯包括实施例1或实施例2中所述滤芯以及其他符合发明内容中创新点所在的其他滤芯。

[0065] 所述棉布包覆外层如附图4中2所示，由两层棉布缝制，滤芯1位于两层棉布中间，便于替换滤芯；所述棉布包覆外层的作用主要是过滤比较大的颗粒，如花粉、沙尘等；滤芯
的主要作用为过滤小粒径的颗粒。

[0066] 所述鼻夹如附图4中3所示，材质为金属，呈V型，并安放于棉布包覆外层2的上部。

[0067] 所述耳带如附图中4所示，材质为弹性橡胶，串在棉布包覆外层2的两侧。

[0068] 实施例4

[0069] 一种不可拆卸式防霾防尘口罩，如附图5所示；它包括滤芯1、外层无纺布包覆材料2、鼻夹3和耳带4；其中滤芯置于无纺布包覆材料2中，鼻夹3和耳带4通过点焊方式固定于外
层无纺布包覆材料中。

[0070] 所述滤芯1包括实施例1或实施例2中所述滤芯以及其他符合发明内容中创新点所在的其他滤芯。

[0071] 所述无纺布包覆外层如附图5中2所示，材质为聚丙烯针刺无纺布；所述无纺布包覆外层的作用主要是过滤比较大的颗粒，如花粉、沙尘等；滤芯的主要作用为过滤PM2.5级
别的颗粒。

[0072] 所述鼻夹如附图5中3所示，材质为金属，呈V型，并通过点焊固定于无纺布上部。

[0073] 所述耳带4如附图5中4所示，材质为弹性橡胶，通过点焊固定于无纺布上部。

[0074] 效果实例

[0075] 下面的表1和表2显示本发明的实施例1与3M-N95口罩滤芯过滤寿命与效果对比；由于滤芯失效的主要原因在于颗粒的堆积造成的孔隙率的降低进而造成的呼吸阻力的增
大，因此采用孔隙率减小的程度作为寿命长短的依据；表格中所列孔隙率均为口罩流量最
集中区域，也是最先失效区域的孔隙率，即靠近人嘴部的口罩下侧的孔隙率。

[0076] 表1

[0077]

[0078] 表2

[0079]