用于口罩的五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，属于医疗卫生【技术领域】。聚合物超薄膜复合膜支撑层是由多孔材料制成的多孔超薄膜载体层，在所述的多孔超薄膜载体层的表面覆盖均质无孔聚合物超薄膜层，所述的均质无孔聚合物超薄膜层是由高氧气渗透率或对氧气高选择性的渗透遵守溶解扩散模型的聚合物制成的均质无孔致密层；所述的均质无孔聚合物超薄膜层的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6；所述的均质无孔聚合物超薄膜层的厚度为0.001-5微米。本发明的复合膜使口罩既能阻止尘粒(包括PM2.5)、病毒、病菌、污染物、烟尘，还能提供富氧功能。
【专利说明】用于口罩的五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗卫生【技术领域】，具体涉及一种能用于口罩；使其产生五防及富氧功能的，由高氧气渗透率或对氧气高选择性的渗透遵守溶解扩散模型的聚合物制成的复合膜。
【背景技术】
[0002]现有技术中，高分子气体分离膜是用于分离混合气体的高分子膜，通常分为多孔膜和非多孔膜，主要参数为渗透系数和分离系数。不同的高分子膜对不同种类的气体分子的透过率和选择性不同，因而可以从气体混合物中选择分离某种气体，如从空气中收集氧。美国通用电器公司采用聚碳酸酯和有机硅的共聚物作为分离膜，经过一级分离就可获得40%富氧的空气，若以富氧的空气代替普通空气，将大大提高各种燃烧装置的效率，并可减少公害。
[0003]因氮常与氧一起渗透，用聚合物膜分离生产纯氧比较困难，所以主要用于生产富氧空气，而非纯氧。目前，通过压缩机将空气压缩至高压后，应用聚合物膜可生产质量分数为25%?60%富氧空气，用于FCC催化剂的再生，或在高温炉或窑中使用甲烷有效燃烧。
[0004]本 申请人:在深入研究了现有技术的已有物质和膜技术以及膜的应用领域的基础上，发明了一种能用于口罩的高氧气渗透率或对氧气高选择性的渗透遵守溶解扩散模型的聚合物制成的复合膜，设置有这种复合膜的口罩能够在满足五防(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)功能的同时，提供富氧功能。现有技术中，用以分离不同气体的膜是已知的，现有技术已开发了一系列的具有高分离因子或高气体流量，即具有高选择性或高渗透性的膜。但是，这些聚合物分离材料都应用在工业上，它具有一系列的工业应用的特点，尚无人将它们应用于人们普通使用的口罩上。应用于口罩的复合膜必须是具有柔软性且能与口罩相配合，它既能阻挡各种对人体有害的PM2.5和病菌等，又不会对佩带者造成呼吸障碍，还能为佩带者提供富氧的空气，同时，还需要其价格能为人们所能接受。为达到如上目的，用于口罩的复合膜是需要具有一定的技术和性能要求的，如，必须是具有一定韧性的，使其能自如地插入和脱离口罩，必须足够薄和足够均匀，既能阻挡对人体有害的物质，又呼吸顺畅和能提供富氧的空气，现有技术中尚无适用的已知薄膜。
[0005]随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对能源的需求随之增加，尤其在大、中城市，各类车辆和私家车大幅增加。由于对这些因素形成的空气污染缺乏足够的认识和重视，近年来，在人口密度大的地区，尤其是大、中城市常产生雾霾天气，严重威胁人民的身体健康和生命。雾霾天气产生的机制很复杂，其化学成分也非常复杂。它含有大量的含氮有机颗粒物，它的成分非常复杂，它不是一种物质，而是好几十种物质，这些物质可能引发癌症及其它严重疾病。更重要的是，病毒、病菌都能在这种很小的颗粒物上存活和繁殖，附着在大气的颗粒物上，在空气中产生大量的游离着的病毒和病菌分子，就会传播疾病。PM2.5是空气污染物中对人危害最大的细颗粒物，此细颗粒物的直径等于或者小于2.5微米，PM2.5在医学上叫可入肺颗粒物，一般来说我们外科的口罩大概能够有PM4的微粒可以预防，到PM2.5就不行了，到PM2.5现在一般是要N95的那种口罩，但那种口罩很闷，不能长期用。
[0006]现有技术中，因应不同的用途和需求，口罩有不同的种类与分级，简单说明如下。一般口罩:这种口罩没有经过额外的处理，其纤维结构的孔隙相当大(约I微米)，所以无法有效阻止经空气传染的病原。此外，一般的口罩对於比较容易进入人类呼吸系统的灰尘，并没有防护的效果，但对於颗粒大的灰尘，还是有一些阻绝的作用。这种口罩可以作为保暖、避免灰头土脸与鼻孔肮髒等用途，但是不可作为防止病菌侵入之用。
[0007]活性碳口罩:活性碳具有多孔隙的结构。其过滤层的主要功用在于吸附有机气体、具恶臭的分子及毒性粉尘，并非用于过滤粉尘，不具杀菌的功能。但活性碳的使用有一项限制，一旦所有的细孔都被填满，便失去效用，此时必须置换口罩，但何时到达饱和点并不太容易判断。活性碳会将病毒粒子吸引到口罩表面，但是却无法「杀死病毒」，因此，手、眼、鼻或嘴意外接触到使用过的活性碳口罩表面，依然有可能导致疾病的传染。
[0008]医疗用口罩:医用口罩主要是为了避免医生的飞沫影响病人，功能设计并不是要免于吸入粒状有害物，其效果虽然比棉纱口罩及布质印花口罩好，但是顶多也只有70%的效果，拿这样的口罩来阻绝病菌，效果可能非常有限。标准的外科医疗用口罩分叁层，外层有阻尘阻水作用，可防止飞沫进入口罩里面，中层有过滤作用，可挡住90%以上的5微米颗粒，近口鼻的一层作为吸湿之用。
[0009]带电滤材口罩:根据这种口罩的主要生产厂商3M公司所提供的资料显示，带电滤材的功用主要在于便利呼吸，而不在于过滤。这种口罩实际有过滤作用的是位于带电滤材下的一层碳。其过滤机制可能与活性碳口罩相同，这表示它与活性碳口罩有相同的使用限制。其中还有一层所谓的「附著电阻过滤材质」，其作用在于延长口罩的寿命及增加舒适度。
[0010]美国职业安全卫生研究所(NationalInstitute for Occupational Safety andHealth)的认證，将防护性口罩分为叁个系列，除N系列外，尚有P及R系列，各含95、99及100叁型，分别表示在特殊环境下，可阻绝95、99及99.7%的病菌。
[0011]SARS流行期间大家争相抢购的N95型口罩，是美国指定防範肺结核病菌的防疫口罩，可以有效过滤结核桿菌(直径约为0.3-0.6微米，长1-4微米)，防止经由空气的感染。其检验的标准为，用0.3微米氯化钠微粒进行测试，阻隔效率须达95%以上，并经佩戴者脸庞紧密度测试，确保在密贴脸部边缘状况下，空气能透过口罩进出。
[0012]现有技术中，一般口罩的孔洞最小约为0.3微米，而SARS病毒的大小约为0.08-0.14微米，所以一般的观念都是认为口罩并不能有效地过滤SARS病毒。世界卫生组织(WHO)认定SARS是飞沫传染，所谓的飞沫传染就说明了病毒并不是个别地散布在空气中，主要是藏在口鼻飞沫(其大小约为病毒的上百倍大，超过0.3微米)内，以医疗用的口罩来说，它就有65%以上的飞沫阻绝效率，因此口罩对于「飞沫传染」的疾病预防，还是有一定的效用。
[0013]新近诞生的纳米光触媒口罩具有相当的杀菌功能，其原理是利用光催化反应来分解有害物质与杀菌。光催化反应是藉由一种半导体光电陶瓷作为触媒，以达到将吸附物质氧化或还原的目的。许多半导体光电陶瓷皆可作为光触媒，如二氧化钛(Ti02)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等。目前使用最多的光触媒为二氧化钛，它除了具有相当强的氧化与还原能力外，还具有化学安定性、对环境无害、价格低廉等优点。我国吉林省惟升科贸发展有限公司新开发的纳米防护系列口罩产品，集中了纳米材料技术，高效率过滤、杀菌材料技术等，以突出的防护性能，已获得以下专利:1、折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252129)。2、防飞沫抗菌口罩。(专利号:03252128)。3、平板折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252131 )。
4、罩杯形纳米防护口罩。(专利号:03252130)。
[0014]中国人口密度大的各大地区，尤其是大、中城市，不仅空气污染极为严重，并且这种污染也导致空气中氧的浓度从大自然的21%降到19%以下，长期处于贫氧状态。对于汽车出行高峰期的某些地区，由于空气中的氧大量用于汽车燃油的燃烧，空气中氧的浓度甚至低于18%，处于极度贫氧状态。因此真正吸入到人体体内的氧气量大大降低。生活在这种贫氧或者极度贫氧环境下的人们，其健康将受到严重威胁，其身体将处于亚健康状态，并且很容易患上或者诱发多种慢性疾病，缺氧将是造成许多疾病的主因之一，比如头痛、心脑血管疾病，心绞痛，等等。众所周知，氧气是人类生存不可或缺的气体。如果能有一种技术能制造一种具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘和富氧功能的口罩给人们佩戴，非常方便地给人们提供清新健康的富氧，它将大大改善人们大脑供氧的状况，并因此缓解或者根治由缺氧而引起的各种不良身体症状，可大大缓解脑疲劳，醒脑提神，保持旺盛精力；可消除因体内血液中氧浓度低而导致的疲劳，倦怠和头晕、头疼等不适症状。在清新健康富氧的环境下，人们的体力机能，大脑智力，血液氧浓度等能达到身体最佳状态。这种状态对于老年人、孕妇、儿童，以及学习强度和心理压力大的学生，和工作强度和心理压力大的各类群体，都将具有特别显著的保健和医疗作用。
[0015]尽管如上所述的现有技术通过过滤和吸附乃至光催化，纳米技术等提供了“五防”(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)中的某项或某几项功能的口罩。但目前尚无任何技术和产品能够满足五防(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)功能，且在满足五防功能的同时，提供富氧功能的口罩。而且，绝大多数口罩都不能防PM2.5大小的可入肺颗粒物，有少数能防PM2.5的可入肺颗粒物的口罩，如N95型口罩，但这些种类的口罩佩载时让人感觉很闷，不能长期使用。
【发明内容】
[0016]针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，它不仅能使口罩满足五防，即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘的功能，同时使口罩具有富氧功能，使口罩成为一种具有特别显著的保健和医疗功能的用品。
[0017]本发明的技术方案是:一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其支撑层是由多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层，所述的多孔超薄膜载体层是一层或多层；在所述的多孔超薄膜载体层的表面覆盖均质无孔聚合物超薄膜层，所述的均质无孔聚合物超薄膜层是由高氧气渗透率或对氧气高选择性的渗透遵守溶解扩散模型的聚合物制成的均质无孔致密层；所述的均质无孔聚合物超薄膜层的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6 ;所述的均质无孔聚合物超薄膜层的厚度为0.001-5微米。所述的均质无孔聚合物超薄膜层的最佳厚度为0.05-1微米。
[0018]所述的均质无孔聚合物超薄膜层由以下物质中的一种，但不限于以下物质，为原料制备而成:[0019](I)美国杜邦，即DuPont，公司生产的Teflon AF2400粉末树脂；它是缩写为I3DD的无定形的2，2-二 (三氟甲基-4，5-二氟-1，3-间二氧杂环戍烯)，即2，2-bistrif Iuoromethyl-4, 5-difluoro-1, 3-dioxole,与缩写为 TFE 的四氟乙烯，即 tetrafIuoroethylene,的
共聚物；此共聚物中含87%摩尔的PDD和13%摩尔的TFE ;共聚物的化学结构式如下:
[0020]
【权利要求】
1.一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的支撑层是由多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层(6)，所述的多孔超薄膜载体层(6)是一层或多层；在所述的多孔超薄膜载体层(6)的表面覆盖均质无孔聚合物超薄膜层(5 )，所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5 )是由高氧气渗透率或对氧气高选择性的渗透遵守溶解扩散模型的聚合物制成的均质无孔致密层；所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6 ;所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.001-5微米。
2.根据权利要求1所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.05-1微米。
3.根据权利要求1所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)由以下物质中的一种，但不限于以下物质，为原料制备而成: (O美国杜邦公司生产的Teflon AF2400粉末树脂；它是缩写为TOD的无定形的2，2- 二 (三氟甲基_4，5- 二氟-1，3-间二氧杂环戊烯)，与缩写为TFE的四氟乙烯的共聚物；此共聚物中含87%摩尔的PDD和13%摩尔的TFE ;共聚物的化学结构式如下:
4.根据权利要求1所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的多孔超薄膜载体层(6)由以下三大类物质中的一种为原料制备而成:[I]不对称孔径分布的多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层(6) ; [2]均匀孔径分布的多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层(6); [3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层(6)。
5.根据权利要求4所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的[I]不对称孔径分布的多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层(6)的厚度和孔隙率分别为0.05-0.26毫米和40%-80% ;所述的多孔超薄膜载体层(6)从与所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的交接面到所述的多孔超薄膜载体层(6)的外表面，其平均孔径从0.001-0.01微米扩大到0.1-10微米。
6.根据权利要求4所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的[2]均匀孔径分布的多孔聚合物材料制成的多孔超薄膜载体层(6)，其厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.05-0.26毫米、40%-90%和0.01-1微米。
7.根据权利要求4所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层(6)的接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的第一层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.01-0.05毫米、40%-80%和0.01-0.06微米，所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层(6)的第二层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.1-0.15毫米、40%-80% 和 0.1-10 微米。
8.根据权利要求1所述的一种用于口罩的具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜，其特征在于:所述的多孔超薄膜载体层(6)是以下物质中的一种、或两种、或两种以上为原料制成: 聚四氟乙烯，PolytetrafIuoroethylene,缩写为 PTFE ； 聚醚讽，Polyether sulfone,缩写为 PES ； 聚偏二氟乙烯，Polyvinylidene Fluoride,缩写为 PVDF ； 聚醚，Polyetherimide,缩写为 PEI ； 丙烯酸共聚物，Acrylic Copolymer ； 聚酰亚胺，Polyimides,缩写为PI ； 聚多芳基化合物，Polyarylates ； 聚碳酸酯，Polycarbonates,缩写为PC ； 聚芳基醚或芳基醚，Poly aryl ethers或aryl ethers ； 聚芳基丽或芳基丽，Poly aryl ketones 或 aryl ketones ； 聚丙烯，Polypropylene，缩写为PP ； 透气性好的多孔性无纺布；所述多孔性无纺布材料包括，但不限于以下材料:多孔性聚酯无纺布，即Polyester无纺布；或者多孔性聚砜无纺布，即Polysulfone无纺布；或者多孔性尼龙无纺布，即Nylon无纺布。
9.一种具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜在口罩中的应用，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)用于口罩，将其置于或活动插入在口罩体(I)中央时，所述均质无孔聚合物超薄膜层(5 )与口罩体(I)的外侧面(7 )相邻，所述的多孔超薄膜载体层(6 )与所述的口罩体(I)的内侧面(8 )相邻。
10.根据权利要求9所述的一种具有五防和富氧功能的聚合物超薄膜复合膜在口罩中的应用，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的面积占所述的口罩体(I)面积的40% 至 90%。
【文档编号】B01D69/12GK103463995SQ201310362253
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】黄河 申请人:武汉利英唯尔科学技术有限公司