一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于卫生防护用品技术领域，涉及一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩及其制备方法。


背景技术：

[0002]
空气污染包括有毒有害气体、悬浮颗粒、以及细菌和病毒等生物性空气污染物。目前，空气污染可通过呼吸道引发严重的呼吸系统疾病、心脏病及其肺部疾病，已经成为危害人体健康的重要因素。因此，做好个人防护是减少空气污染对人体造成危害的必要途径(空气污染(霾)人群健康防护指南，国家卫生健康委办公厅编写)。然而，室内空气环境净化系统价格昂贵，而且无法满足室外出行的需求。佩戴口罩是一种简单方便且行之有效的防护方法。在雾霾天，尤其是病毒肆虐的时候佩戴口罩是加强个人防护最有效的个人防护方法。
[0003]
目前使用较多的口罩为医用外科口罩，它主要包含三层结构，外层有阻水层，用来防止飞沫进入口罩内层；中间层为熔喷聚丙烯无纺布，是由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的纤维膜，纤维直径范围0.5～10微米，可以过滤细菌悬浮颗粒，是最重要的核心层；口罩内层为普通无纺布，主要用于吸湿功能(符合国标 gb/t 32610-2016)。医用外科口罩可阻隔90％的微小颗粒，但是对有机有害物和细菌病毒达不到理想的防护作用，并且佩戴时间短，每4小时需要更换一次。n95 口罩净化空气效果最好，但是n95口罩属于工业性防尘口罩，其层数多、密闭性好，容易使人出现呼吸不畅、缺氧等情况，不宜长时间佩戴。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的就是提供一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩及其制备方法。该口罩可过滤微米和纳米颗粒，又可以吸附有毒气体进行降解，同时可以杀灭附着在口罩上的细菌、病毒。不仅如此，它还可以具有透气性好的优势，解决了现有医用口罩和n95口罩存在的问题。
[0005]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩，包括依次堆叠设置的第一支撑层、多功能层、第二支撑层，其中所述的多功能层为银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层。所述的第一支撑层、第二支撑层均可选用无纺布，所述的多功能层可满足吸附、过滤、降解杀菌等多种功能的要求。
[0007]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，包括将第一支撑层、多功能层、第二支撑层依次堆叠放置，依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到所述的高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩。
[0008]
进一步地，所述的银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0009]
1)将氧化物前驱体溶胶、水及助纺剂混合并搅拌4-24h，再依次经过静电纺丝、高
温烧结后，得到氧化物纳米纤维层；将凹凸棒与水混合并经细胞破碎机处理后，得到凹凸棒分散液，之后将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1-5h，得到凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液；
[0010]
2)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，经热处理后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层。
[0011]
进一步地，步骤1)中，所述的水与氧化物前驱体溶胶的体积比为(1-3):1，所述的氧化物前驱体溶胶中的氧化物与助纺剂的质量比为100:(5-30)。
[0012]
进一步地，步骤1)中，所述的氧化物前驱体溶胶包括氧化铝溶胶、氧化硅溶胶、氧化钇溶胶及氧化锆溶胶中的至少一种；
[0013]
所述的助纺剂包括分子量为(8-130)
×
10
4
的pva、pvp或peo中的至少一种。
[0014]
进一步地，步骤1)中，所述的静电纺丝中，纺丝电压为12-25kv，纺丝距离为10-30cm，纺丝温度为20-40℃，推注速度为0.3-2ml/h。
[0015]
进一步地，步骤1)中，所述的高温烧结中，升温速度为1-10℃/min，烧结温度为600-900℃，保温时间60-240min；
[0016]
所述的氧化物纳米纤维层的厚度为100-300μm。
[0017]
进一步地，步骤1)中，所述的凹凸棒与水的质量比为(1-10):50，细胞破碎机处理时间为5-20min；
[0018]
所述的凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:(1-5)。
[0019]
所述的银离子掺杂二氧化钛溶胶的制备方法包括以下步骤：
[0020]
s1，将ag(no
3
)
3
加入到少量无水乙醇溶解，得到硝酸银溶液；
[0021]
s2，钛酸四丁酯溶于等体积冰醋酸中溶解，得到钛酸四丁酯溶液；
[0022]
s3，将硝酸银溶液逐滴滴入钛酸四丁酯溶液中，然后加入pvp搅拌6小时，得到银离子掺杂二氧化钛溶胶，其中ag与tio
2
的摩尔比为0.2％。
[0023]
进一步地，步骤2)中，刷涂厚度为50-150μm。
[0024]
进一步地，步骤2)中，所述的热处理中，处理温度为500-600℃，处理时间为1-4h。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0026]
1)本发明内外层均为透气性良好的无纺布，有利于将呼吸出的水汽较快排出，保持人体接触面的舒爽，增加使用的舒适度；
[0027]
2)静电纺丝制备的纳米陶瓷纤维膜作为中间层具有比表面积大、孔隙率高、轻质的优点，该结构具有极低的密度和极高的孔隙率，使人们呼吸时更加通畅；同时，纳米纤维膜对纳米-微米粒子具有非常高的过滤效率(＞99％)，其过滤效率远高于n95口罩；
[0028]
3)凹凸棒石比表面积大，具有较高的吸附能力，可除臭除味、吸附重金属离子和有害致癌物质，本发明在凹凸棒表面原位生长高活性银离子掺杂二氧化钛，兼具凹凸棒的吸附性能和银离子掺杂二氧化钛的可见光催化降解杀菌作用结合起来，在太阳光下使用时即可实现口罩的高效杀菌效果；
[0029]
4)本发明口罩具有可重复使用功能，在使用2-4小时后，置于紫外线下消毒数分钟即可再次使用。
具体实施方式
[0030]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述三层结构口罩。该口罩可满足吸附、过滤、降解杀菌等多种功能的要求。
[0032]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0033]
1)选取氧化铝溶胶、氧化硅溶胶、氧化钇溶胶及氧化锆溶胶中的至少一种作为氧化物前驱体溶胶，并与水以体积比为1:(1-3)混合，之后加入分子量为8-130
×
10
4
的pva、pvp或peo中的至少一种作为助纺剂混合并磁力搅拌4-24h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，氧化物前驱体溶胶中的氧化物与助纺剂的质量比为 100:(5-20)；
[0034]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为12-25kv，纺丝距离为10-30cm，纺丝温度为20-40℃，推注速度为0.3-2ml/h；
[0035]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为100-300μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为1-10℃/min，烧结温度为600-900℃，保温时间60-240min；
[0036]
4)将凹凸棒与水以质量比(1-5):50混合并经细胞破碎机处理5-20min后，得到凹凸棒分散液；
[0037]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1-5h，得到凹凸棒
ꢀ-
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:(1-5)；
[0038]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为50-150μm，在500-600℃下经热处理1-4h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层。
[0039]
以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0040]
实施例1：
[0041]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0042]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0043]
1)将20ml的氧化铝溶胶加入至20ml去离子水中，随后加入分子量为36
×
10
4
的pvp作为助纺剂混合并磁力搅拌8h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为1:10；
[0044]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为18kv，纺丝距离为15cm，纺丝温度为28℃，推注
速度为0.6ml/h；
[0045]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为100μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为5℃/min，烧结温度为900℃，保温时间200min；
[0046]
4)将凹凸棒与水以质量比1:10混合并经细胞破碎机处理10min后，得到凹凸棒分散液；
[0047]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:3；
[0048]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为100μm，在500℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
ꢀ-
氧化物纳米纤维层。
[0049]
实施例2：
[0050]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0051]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0052]
1)将20ml的氧化铝溶胶加入至30ml去离子水中，随后加入分子量为36
×
10
4
的pvp作为助纺剂混合并磁力搅拌8h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为13:100；
[0053]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为18kv，纺丝距离为15cm，纺丝温度为28℃，推注速度为0.6ml/h；
[0054]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为200μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为5℃/min，烧结温度为900℃，保温时间120min；
[0055]
4)将凹凸棒与水以质量比10:50混合并经细胞破碎机处理8min后，得到凹凸棒分散液；
[0056]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:5；
[0057]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为150μm，在550℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
ꢀ-
氧化物纳米纤维层。
[0058]
实施例3：
[0059]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0060]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0061]
1)将20ml的氧化硅溶胶加入至20ml去离子水中，随后加入分子量为 7.8
×
10
4
的pva作为助纺剂混合并磁力搅拌12h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为30:100；
[0062]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为15kv，纺丝距离为18cm，纺丝温度为28℃，推注速度为1ml/h；
[0063]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为300μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为3℃/min，烧结温度为800℃，保温时间120min；
[0064]
4)将凹凸棒与水以质量比5:50混合并超声分散20min后，得到凹凸棒分散液；
[0065]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:3；
[0066]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为50μm，在500℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
-ꢀ
氧化物纳米纤维层。
[0067]
实施例4：
[0068]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0069]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0070]
1)将20ml的氧化硅溶胶加入至20ml去离子水中，随后加入分子量为 7.8
×
10
4
的pva作为助纺剂混合并磁力搅拌12h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为30:100；
[0071]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为15kv，纺丝距离为18cm，纺丝温度为28℃，推注速度为1ml/h；
[0072]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为200μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为3℃/min，烧结温度为800℃，保温时间120min；
[0073]
4)将凹凸棒与水以质量比10:50混合并超声分散20min后，得到凹凸棒分散液；
[0074]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:5；
[0075]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为100μm，在550℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
ꢀ-
氧化物纳米纤维层。
[0076]
实施例5：
[0077]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作
为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0078]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0079]
1)将20ml的氧化锆溶胶加入至20ml去离子水中，随后加入分子量为50
×
10
4
的peo作为助纺剂混合并磁力搅拌8h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为8:100；
[0080]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为18kv，纺丝距离为15cm，纺丝温度为28℃，推注速度为0.6ml/h；
[0081]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为200μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为5℃/min，烧结温度为900℃，保温时间120min；
[0082]
4)将凹凸棒与水以质量比5:50混合并超声分散15min后，得到凹凸棒分散液；
[0083]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:3；
[0084]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为50μm，在500℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
-ꢀ
氧化物纳米纤维层。
[0085]
实施例6：
[0086]
一种高效过滤并吸附杀菌用多功能可重复使用口罩的制备方法，将无纺布作为第一支撑层、银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层作为多功能层、无纺布作为第二支撑层依次堆叠放置，再依次经过裁剪、边缘压紧连接后，即得到上述口罩。
[0087]
其中，银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒-氧化物纳米纤维层的制备方法包括以下步骤：
[0088]
1)将20ml的氧化锆溶胶加入至20ml去离子水中，随后加入分子量为50
×
10
4
的peo作为助纺剂混合并磁力搅拌12h，制得可纺性陶瓷前驱体溶胶；其中，助纺剂与氧化铝的质量比为8:100；
[0089]
2)将可纺性陶瓷前驱体溶胶置于高压静电纺丝设备中进行纺丝，得到氧化物前驱体纤维膜；其中，纺丝条件包括：纺丝电压为15kv，纺丝距离为18cm，纺丝温度为28℃，推注速度为1ml/h；
[0090]
3)将氧化物前驱体纤维膜进行高温烧结，得到厚度为300μm的氧化物纳米纤维层；其中，烧结条件包括：升温速度为3℃/min，烧结温度为900℃，保温时间120min；
[0091]
4)将凹凸棒与水以质量比10:50混合并超声分散15min后，得到凹凸棒分散液；
[0092]
5)将凹凸棒分散液与银离子掺杂二氧化钛溶胶混合并搅拌1h，得到凹凸棒
-ꢀ
银离子掺杂钛溶胶喷涂液；其中，凹凸棒分散液中的凹凸棒与银离子掺杂二氧化钛溶胶的质量比为100:5；
[0093]
6)将凹凸棒-银离子掺杂钛溶胶喷涂液喷涂于氧化物纳米纤维层上，刷涂厚度为100μm，在550℃下经热处理2h后，即得到银离子掺杂二氧化钛包覆的凹凸棒
ꢀ-
氧化物纳米纤维层。
[0094]
实施例7：
[0095]
本实施例用于测试实施例1-6中所制备的口罩性能，测试方法：其中口罩过滤效果的测试设备为germany eager technology inc.公司生产的医用口罩过滤测试仪，参考标准为yy0469-2011防护口罩颗粒物过滤效率测试。杀菌效率的测试设备为微生物指标检测仪器，参考标准为gb/t15979-2002《一次性使用卫生用品卫生标准》附录b-产品微生物检测方法。测试结果如表1所示。
[0096]
表1
[0097][0098][0099]
由表1可知，口罩杀菌作用主要依靠二氧化钛，而凹凸棒的吸附作用有利于杀菌效率的提高，所以对于没有凹凸棒只有二氧化钛的口罩，其杀菌作用也不能充分发挥。而过滤性能主要依靠纳米纤维膜，所以即使没有二氧化钛和凹凸棒，过滤性能依然不受影响。
[0100]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。