本实用新型属于驻极体空气净化技术领域，具体涉及一种基于压力调控的静电防雾霾口罩。
背景技术：
近年来，中国很多地方出现了严重的雾霾天气，影响着人们生活的各个方面，尤其是对人体健康的危害。雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得阴沉灰暗。霾粒子的分布比较均匀，尺度从0.001微米到10微米，平均直径大约在1～2微米左右。颗粒物的英文缩写为PM，日常监测的主要是细颗粒物PM2.5，也就是空气动力学当量直径小于等于2.5微米的污染物颗粒。这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。除了气象原因，工业生产废气排放、机动车尾气排放、冬季取暖烧煤、交通扬尘、附着在颗粒上的微生物病毒滋生等导致的大气中的颗粒物(包括粗颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5)浓度增加，也是雾霾产生的重要原因。雾霾中含有几十种对人体有害的细颗粒、有毒物质。尤其是雾霾中直径在0.01微米以下的细小粉粒状飘浮物，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部，长期处于严重雾霾环境会诱发肺癌。所以，霾影响最大的就是人的呼吸系统，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、鼻腔炎症等病种上。同时，雾霾天气时，气压降低、空气中可吸入颗粒物骤增、空气流动性差，有害细菌和病毒向周围扩散的速度变慢，导致空气中病毒浓度增高，疾病传播的风险大幅提高，尤其是对于老年人、儿童、室外作业人员(如交警、建筑工人)、孕妇、有慢性疾病人群等。雾霾对于患有哮喘、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病的人群会引起气短、胸闷等不适，可能造成肺部感染，或出现急性加重反应。糖尿病患者因自身抵抗力较弱，更易患感冒。PM2.5对心、脑血管疾病等慢性病患者有较大的破坏力，会增加心脏病患者的心脏负担，诱发脑梗死等。尽管国家采取了各种措施治理大气污染，但是雾霾问题依然严重。所以，雾霾天气里，如何减少吸入雾霾中的有害物质是降低风险、维持健康的有效途径。最简易方便的就是佩戴有效吸附、过滤、隔离雾霾颗粒的PM2.5防雾霾口罩。
目前市面上出售的所谓“防雾霾口罩”主要有四类：(1)纱布、棉布口罩：能滤除大部分病菌和粉尘，但是对PM2.5几乎没有过滤防护作用；(2)活性炭口罩：添加了具有吸附作用的活性炭层，但它只对隔绝异味起作用，对抗颗粒物的效果不佳，而且活性炭自身也是一种颗粒，有可能被佩戴者吸入，所以不利于慢性呼吸道疾病患者或体弱者使用；(3)普通一次性医用口罩：一般为无纺布材质，具有防飞沫、吸湿等作用，但密合性低，只能隔离大颗颗粒物和病菌，防霾效果有限；(4)N95型口罩：是目前市场上相对广受认可的专业防雾霾口罩。这种口罩是NIOSH(美国国家职业安全卫生研究所)认证的9种防颗粒物口罩中的一种。口罩型号所称的N95是基于美国标准，该标准将医用防护口罩分为三大类九种型号。N代表非油性颗粒，另有R、P型代表油性颗粒。非油性颗粒物包括煤尘、水泥尘、酸雾、焊接烟、微生物等；油性颗粒物则包括油雾、油烟、焦炉烟等。每一型号又分为三种过滤效能级别，分别为95％，99％和100％。如N95，指能滤除至少95％，99％，99.97％的悬浮颗粒物，不耐油；P95，指能滤除至少95％，99％，99.97％的悬浮颗粒物，相当耐油。
但是，上述各种类型的“防雾霾口罩”都是采用过滤材料滤除空气中的PM2.5等有害成分，这就存在几个问题：(1)口罩过滤膜吸附雾霾颗粒后需要经常更换；(2)现在市面销售的大部分口罩，对于PM2.5，尤其是尺寸更小、危害更大的雾霾颗粒PM1.0、、PM0.3、PM0.1，其有效过滤性能较差；(3)普通防雾霾口罩吸附过滤雾霾的效果与口罩过滤膜的厚度有关，过厚的口罩佩戴时会阻碍呼吸，引起呼吸困难。所以，需要一种显著提高PM2.5、PM1.0、PM0.3、PM0.1过滤效率，又不影响佩戴者顺畅呼吸的新型防雾霾口罩。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于解决上述问题和不足，提供一种既能有效过滤空气中的PM2.5、PM1.0、PM0.3、PM0.1，又无需频繁更换口罩滤材，而且口罩透气率高，使佩戴者呼吸更加顺畅的基于压力调控的静电防雾霾口罩。
本实用新型提出的基于压力调控的静电防雾霾口罩，所述口罩的主体包含依次设置的第一无纺布层、压力调控的静电过滤层、除菌滤网层、活性炭过滤层和第二无纺布层；即所述的第一无纺布层为外支撑层，所述的压力调控的静电过滤层在第一无纺布层的下面，以下依次为除菌滤网层、活性炭过滤层和第二无纺布层，所述的第二无纺布层为内支撑层。
其中，所述的压力调控的静电过滤层的特点是空气可以顺畅通过，但空气中的PM2.5、PM1.0、PM0.3、PM0.1等细小微粒物无法通过；所述的除菌滤网层的特点是对细菌、病毒有着良好的抑制和分解作用；所述的活性炭过滤层可有效过滤去除异味。
上述静电防雾霾口罩中，各层之间相互独立，层层叠加后在相对两侧边缘通过高温热压方式形成缝合边；或者，各层之间通过粘合剂复合，复合后在相对两侧边缘通过高温热压方式形成缝合边。
上述静电防雾霾口罩中，所述的第一无纺布层和第二无纺布层中的无纺布分别独立地选自纺粘布或SMS无纺布(Spunbond+Meltblown+Spunbond Nonwovens，又称复合无纺布)。其中，所述纺粘布或SMS无纺布采用具有憎水性的聚丙烯(PP)材料制得。再有，所述纺粘布或SMS无纺布的克重为50-60g/m2。
上述静电防雾霾口罩中，所述的压力调控的静电过滤层为无纺布层，所述无纺布层由具备压电效应的复合材料制备得到，所述复合材料包括铌酸锂颗粒和聚合物驻极体(如聚丙烯)，其中，所述聚合物驻极体作为基体，所述铌酸锂颗粒作为填充材料。
其中，所述压力调控的静电过滤层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将铌酸锂颗粒与聚合物驻极体以及任选地碳纳米管(优选为多壁碳纳米管)通过双螺杆挤出机进行均匀混合，制备得到母粒；将上述制备的母粒通过熔融喷涂制备成无纺布。
其中，所述压力调控的静电过滤层中的无纺布的克重为20-40g/m2，例如为30g/m2。
上述静电防雾霾口罩中，所述的除菌滤网层为无纺布层，所述无纺布层由具备抑菌除菌效应的复合材料制备得到，所述复合材料包括抑菌除菌纳米颗粒与聚丙烯(PP)，其中，所述聚丙烯作为基体，所述抑菌除菌纳米颗粒作为填充材料。
其中，所述除菌滤网层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将抑菌除菌纳米颗粒与聚丙烯共混，再通过熔融喷涂制备成无纺布。
其中，所述除菌滤网层中的无纺布的克重为20-40g/m2，例如为30g/m2。
上述静电防雾霾口罩中，所述的活性炭过滤层选用碳纤维无纺布。
其中，所述碳纤维无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将碳纤维加热活化，再采用静电纺丝的方法制备成无纺布。
上述静电防雾霾口罩中，除了所述主体外，还包括口罩主体两端的耳线。
本实用新型的有益效果：
本实用新型中通过选用铌酸锂与聚合物驻极体(如聚丙烯PP)复合材料无纺布作为压力调控的静电过滤层，可以通过给所述压力调控的静电过滤层中的无纺布施加很小的压力，就可以使压力调控的静电过滤层表面产生大量自由电荷，再利用所述自由电荷捕获空气中的极性雾霾颗粒，或使中性雾霾颗粒极化带电后将其捕获。所述大气颗粒物包括：粉尘、PM10、PM2.5、PM1.0、PM0.3、PM0.1以及亚微米颗粒。
本实用新型中通过选用铌酸锂与聚合物驻极体(如聚丙烯PP)复合材料无纺布作为静电过滤层，与常用的静电吸附聚合物驻极体材料不同，该复合材料在压力作用下的介电损耗小，能够对其进行反复充电，且能稳定储存电荷，从而延长了使用寿命，杜绝成为一次性口罩，而造成更多资源的浪费。吸附大量雾霾颗粒后，将口罩反复清洗后，其表面在口鼻呼吸等压力驱动下，仍能反复产生电荷，进而吸附空气中的雾霾颗粒，因此这类静电过滤层获取有效电荷简单、操作方便、可反复充放电重复利用。由于有效电荷数量多，通过静电吸附雾霾颗粒效率高，也无需使用克重过大、过滤膜孔径过小的过滤膜，采用此类静电过滤层，还能保证口罩的透气性和使用者顺畅呼吸，所以此类压力控制静电防霾口罩在口罩领域有很好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型的基于压力调控的静电防雾霾口罩的结构示意图。
图2为本实用新型的基于压力调控的静电防雾霾口罩的局部结构剖面图。
图3为本实用新型柔性铌酸锂压电传感器的结构示意图。其中，1’和2’为导电铜丝(即上导线和下导线)，3’为步骤(2)的压电薄膜，5’和6’为锡箔纸(即上电极和下电极)，4’和7’为上、下透明胶带。
图4为电化学工作站测试压电响应原理图。
图5为鼻子呼吸外力作用下柔性铌酸锂压电传感器(LN＝10wt％)的电流响应曲线。
图6为口腔呼吸外力作用下柔性铌酸锂压电传感器(LN＝10wt％)的电流响应曲线。
图7a-d为本实用新型的静电过滤层的SEM图。
图8a-d为本实用新型的静电过滤层利用口鼻呼吸外力作用下吸附雾霾10h后的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。此外，应理解，在阅读了本实用新型所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所限定的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
如图1所示，一种基于压力调控的静电防雾霾口罩，包括口罩主体1以及口罩主体1两端的耳线2。口罩主体1的形状经过人体工程学设计，佩戴更舒适，密封性更好。
如图2所示，所述口罩主体1包括与空气接触的外支撑层11以及与人体面部接触的内支撑层12。外支撑层11为第一无纺布层，内支撑层12为第二无纺布层，外支撑层11和内支撑层12中的无纺布分别独立地为聚丙烯纺粘布或聚丙烯SMS无纺布。外支撑层11与内支撑层12之间包括依次设置的压力调控的静电过滤层31、除菌滤网层32和活性炭过滤层33。各层之间相互独立，层层叠加后在相对两侧边缘通过高温热压方式形成缝合边；或者，通过粘合剂复合，复合后在相对两侧边缘形成缝合边，即为所述口罩主体1。
无纺布作为新一代的环保材料，具有防潮、透气、柔韧、无毒、无刺激性等优点，用作口罩制作材料非常合适。
其中，所述的压力调控的静电过滤层31为无纺布层，所述的无纺布层由具备压电效应的复合材料制备得到，所述的复合材料包括铌酸锂颗粒和聚合物驻极体(如聚丙烯)，其中，所述聚合物驻极体作为基体，所述铌酸锂颗粒(粒径为1μm-5μm)作为填充材料。所述压力调控的静电过滤层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将铌酸锂颗粒与聚合物驻极体通过双螺杆挤出机进行均匀混合，制备得到母粒；将上述制备的母粒通过熔融喷涂制备成无纺布。所述压力调控的静电过滤层中的无纺布的克重为20-40g/m2，例如为30g/m2。
其中，所述的除菌滤网层为无纺布层，所述无纺布层由具备抑菌除菌效应的复合材料制备得到，所述复合材料包括抑菌除菌纳米颗粒与聚丙烯(PP)，其中，所述聚丙烯作为基体，所述抑菌除菌纳米颗粒作为填充材料。所述除菌滤网层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将抑菌除菌纳米颗粒与PP共混，再通过熔融喷涂制备成无纺布。所述除菌滤网层中的无纺布的克重为20-40g/m2，例如为30g/m2。
其中，所述的活性炭过滤层选用碳纤维无纺布。所述碳纤维无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将碳纤维加热活化，再采用静电纺丝的方法制备成无纺布。
本实用新型中，尤其是通过选用铌酸锂与聚合物驻极体(如聚丙烯PP)复合材料无纺布作为静电过滤层31，在口鼻呼吸等压力驱动下，在过滤膜表面反复产生电荷，通过静电相互作用高效吸附雾霾颗粒。
实施例2模拟本实用新型的口罩对鼻子呼吸压力和口腔呼吸压力的响应
1.制备柔性铌酸锂压电传感器
(1)LN粉末过滤：将铌酸锂晶体粉末通过300目的筛子，收集过筛后的粉末，即LN粉末。
(2)LN粉末与CNT和PP混合热压成膜：将在200℃条件下熔融的PP同多壁碳纳米管CNT(1wt％)及步骤(1)得到的LN粉末以不同的质量比例(1％、3％、5％、8％和10％)混合后在8MPa压力下成膜，将得到的压电薄膜剪成长方形(2cm×3cm)。
(3)贴上下电极：使用两张尺寸一样的锡箔纸(1.5cm×2cm)分别置于步骤(2)得到的压电薄膜上下表面，得上电极-压电薄膜-下电极复合结构。
(4)接上下导线：将两根导电铜丝分别置于步骤(3)得到的复合结构中的上电极上面和下电极下面，得到上导线-上电极-压电薄膜-下电极-下导线复合结构。
(5)封装：将步骤(4)得到的复合结构用透明胶带封装，只漏出上下导线的尾端。
至此，柔性铌酸锂压电传感器即制备完成，如图3所示。其中，1’和2’为导电铜丝(即上导线和下导线)，3’为步骤(2)的压电薄膜，5’和6’为锡箔纸(即上电极和下电极)，4’和7’为上、下透明胶带。
2.柔性铌酸锂压电传感器对鼻子呼吸压力的响应
将本实施例制得的压力传感器的上下导线分别和电化学工作站的工作电极接口和对电极接口连接，如图4所示。选择电流-时间测量模式，电压设置为0V。
本实施例制备的压力传感器对压力变化的电流响应非常灵敏。鼻子呼气施加向外的压力，产生正向电流；鼻子吸气产生相反方向的压力，产生负向电流。电流峰值大小和施加压力的大小和速度有关，压力大，电流大；反之，压力小，电流小。多次鼻子呼吸，电流信号稳定。由图可知，LN含量为10％时，鼻子呼吸的压力，可以产生8～10nA的电流。(见图5)
3.柔性铌酸锂压电传感器对口腔呼吸压力的响应
将本实施例制得的压力传感器的上下导线分别和电化学工作站的工作电极接口和对电极接口连接，如图4所示。
本实施例制备的压力传感器对压力变化的电流响应非常灵敏。口腔呼气施加向外的压力，产生正向电流；口腔吸气产生相反方向的压力，产生负向电流。电流峰值大小和施加压力的大小和速度有关，压力大，电流大；反之，压力小，电流小。多次口腔呼吸，电流信号稳定。由图可知，LN含量为10％时，口腔呼吸的压力，可以产生4～8nA的电流。(见图6)
实施例3实施例1的防雾霾口罩吸附大气雾霾能力测试
佩戴实施例1的防雾霾口罩，于室外雾霾天气中活动，利用口鼻呼吸对其中的静电过滤层不断施以振动和压力，使静电过滤层中的LN颗粒产生压电电荷，吸附大气中的雾霾颗粒。通过对比图7和图8可以看到，静电吸附雾霾颗粒没有选择性，可以吸附的粒径范围为0.1-5μm，尤其对于2.5μm以下的颗粒物，吸附效果颇为明显。
以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。