一种口罩过滤层及其制备方法和应用与流程

本发明属于防护用品技术领域，具体涉及一种口罩过滤层及其制备方法和应用。

背景技术：

2019年爆发的冠状病毒（covid-19）仍在全球范围内肆意，其主要通过呼吸道飞沫传播。佩戴医用外科或n95等口罩可以有效防护，但是单个口罩的使用时长一般不能超过4小时，这导致口罩的消耗量巨大，口罩供应目前也处于短缺状态。在这样的情况下，能否将经过消毒后的口罩重复使用成为一个很现实的问题。且目前对废弃口罩大都焚烧处理，给环境带来负担。

因此，如何提供一种在维持口罩过滤性能的同时进行消毒的方法，以解决口罩的重复利用的问题非常重要。斯坦福大学物质科学与工程系教授崔屹和美国4cair公司团队对熔喷无纺布进行了不同的消毒处理，并对不同的消毒方式进行了评估。结果显示：使用酒精、消毒水或肥皂水等方法进行清洗会使熔喷无纺布的过滤性能大幅下降，经过该类方法消毒后的口罩无法进行有效防护；紫外线消毒存在紫外线穿透力低，难以完全杀灭病毒的缺陷；他们发现利用70-100℃左右的高温处理对熔喷无纺布的过滤性能影响极小，并且对细菌和病毒的处理能力较高。

然而，目前为止，要实现70-100℃左右的高温处理需要额外的专业高温消毒设备。因此，通过改进外科口罩的结构，实现方便、快捷的自消毒，对于口罩的可重复循环利用具有重要价值。

技术实现要素：

针对现有口罩消毒方法存在的不足，本发明提供了一种结构改进的口罩过滤层，该过滤层可通电加热进行消毒不仅可以杀死粘附在过滤层和口罩表面的病毒，达到外科口罩可重复使用的目的，还能提升口罩的过滤性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术手段：

一种口罩过滤层，所述过滤层由下至上依次为熔喷无纺布、导电电极和导电-导热薄膜；

所述熔喷无纺布、导电电极和导电-导热薄膜构成的三层结构截面为工字型。

进一步地，采用外接电源在导电电极两端施加电压时，电流通过电极和导电-导热薄膜时会产生热量，导电-导热薄膜传导的热量产生高温，从而对口罩进行消毒。

进一步地，所述导电电极是采用导电布胶带或导电胶制成。

进一步地，所述导电电极为叉指电极型结构。

进一步地，所述导电-导热薄膜是采用水性石墨烯导热油墨涂覆制成。

进一步地，所述水性石墨烯导热油墨由水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯混合后制成。

进一步地，所述水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯的重量比为5:2-5:4。

进一步地，所述水性石墨烯导热油墨的涂覆量为0.012g/cm²-0.015g/cm²。

上述口罩过滤层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，取熔喷无纺布，按照口罩尺寸进行裁剪；

步骤2，将导电电极铺设在熔喷无纺布表面；

步骤3，将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯混合制成水性石墨烯导热油墨；

步骤4，将水性石墨烯导热油墨涂覆在铺设有导电电极的熔喷无纺布表面，干燥，得到过滤层。

一种口罩，包括上述口罩过滤层。

有益效果：

1、本发明相比于使用酒精、消毒水以及紫外线等方法进行口罩消毒更加有效、便捷。

2、本发明中涉及到的材料和工艺无毒，成本低，可大规模生产。

3、本发明在制备过程中对制备设备的要求低，制备过程简单。

4、相对于目前已有的石墨烯口罩，本发明在商业化的外科口罩用熔喷无纺布上设计了具有改进的柔性叉指电极，并涂覆了一层具有高效导电-导热性能的水性石墨烯油墨。通电后的过滤层不仅能够实现杀菌消毒，还能恢复熔喷无纺布的静电吸附能力，提高过滤性，以实现重复使用的目的。

附图说明

图1为本发明口罩过滤层的结构示意图。

图2为实施例1采用的叉指电极型结构示意图。

图3为本发明口罩过滤层的消毒方法示意图。

图4为实施例1的口罩过滤层在3v电压下的温度变化结果。

图5为实施例1的口罩过滤层在3v电压下通电30分钟后的热分布图。

图6为实施例2采用的叉指电极型结构示意图。

图7为实施例2的口罩过滤层在3v电压下通电30分钟后的热分布图。

图8为实施例3中按照不同配比混合的水性石墨烯导热油墨对制得的口罩过滤层的影响结果。

图9为实施例4中口罩过滤层在不同电压下的温度变化曲线。

图10为实施例5的口罩过滤层在3v电压下的温度变化曲线。

具体实施方式

本发明提供一种结构改进的口罩过滤层，经改进后的过滤层，可通电加热进行消毒，该改进结构不仅可以杀死粘附在过滤层和口罩表面的病毒，达到外科口罩可重复使用的目的，还能提升口罩的过滤性能。

如图1所示，所述过滤层包括导电电极、高性能导电-导热薄膜和熔喷无纺布，所述导电电极经过合理的结构设计粘附在熔喷无纺布表面，所述高性能导热石墨烯薄膜涂覆于熔喷无纺布表面。

进行消毒时，外接直流电压源给导电电极两端施加电压，当电流通过导电电极和导电-导热薄膜时，会产生热量，高性能导电-导热薄膜及时的传导热量以使表面温度均匀分布；利用电热效应产生的高温，能够杀死粘附于过滤层和口罩表面的病毒，使得商用外科口罩的重复使用成为可能。

本发明的关键在于电热的均匀分布，局部温度过高（>120℃），可能烧穿石墨烯膜，而局部温度过低（<50℃），消毒效果不佳。因此需要整个发热平面均匀处于70-100℃之间。为了达到这一效果，本发明的关键技术环节包括：柔性导电电极的电导率，柔性电极的图案，水性石墨烯的配比，石墨烯导热层的涂覆量以及直流电压源电压。

为了使过滤层具有柔软性，在本发明中选用柔性导电电极，比如导电布胶带、导电胶等。

柔性导电电极的图案是以电导率为基础的，电极的电导率和电极的图案决定了电流的分布，因此从根本上决定了电热分布的均匀性。若设计不合理，会造成局部电流大、温度高、烧穿石墨烯膜。

更进一步地，为了避免电极出现短路，并且确保电流大小在熔喷无纺布表面均匀分布，在本发明的一个实施例中选用叉指电极型结构，采用导电布胶带（电阻系数：0.015ω•cm，厚度：0.1mm±0.01）拼贴形成。

图2为本发明一个实施例中选用的叉指电极型结构，该叉指电极的基本结构为半圆形，两个半圆形开口相对，在第一半圆形的圆弧中间位置设有第一叉指，在第二半圆形的圆弧中间位置设有第二叉指和第三叉指，第一叉指和第二叉指、第三叉指平行并列、相互交叉。

图3为本发明另一个实施例中选用的叉指电极型结构，该叉指电极结构的基本结构为半矩形，两个半矩形开口相对，在第一半矩形的底边中间位置设有第一叉指，在第二半矩形的底边中间位置设有第二叉指，第一叉指和第二叉指平行并列、相互交叉。

另外，为了同时实现导电和导热性能，本发明选用水性改性树脂、水性专用导电级石墨烯经过一定的比例混合而成水性石墨烯导电-导热油墨，然后涂覆在熔喷无纺布表面，形成高性能导电-导热薄膜。

水性改性树脂为常州衡丰纳米科技有限公司生产，型号为gm-347。

水性专用导电级石墨烯为常州衡丰纳米科技有限公司生产的型号为gm-y的石墨烯滤饼。

水性石墨烯的配比会影响石墨烯成膜的质量、柔性以及与熔喷无纺布之间的粘附性。合理的石墨烯配比（5:3）才能保证得到均匀的石墨烯膜。石墨烯导热膜的涂覆量也是温度均匀分布的关键。石墨烯导电-导热膜的涂覆量过少（＜0.012g/cm²），导热效果不佳，热量将主要集中在导电电极上。而石墨烯导电-导热膜的涂覆量过多，将影响整个过滤膜的透气性。石墨烯导电-导热膜的涂覆不均匀也会导致热量分布不均匀。

优选地，涂覆方法可以为：手涂、涂布机、旋涂、喷涂等。

另外，采用外部电源对过滤层进行消毒时，在实现均匀发热的基础上，合理的选择直流电压源的电压，实现70-100℃之间。电压过高（≥4v）会使得发热过高，烧坏口罩，而电压不足(＜2v)，发热温度不足以消毒、灭菌。

本发明还提供了上述口罩过滤层的制备方法，具体步骤如下：

1.取商业化的外科口罩用熔喷无纺布，按照商用口罩的尺寸进行裁剪。

2.将柔性导电电极按照设计好的图案粘贴在熔喷无纺布的表面。需确保导电电极宽带均匀分布、导电电极粘贴平整，以保证电流均匀通过。

3.将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比比例为5:2到5:4混合，并使用磁力搅拌机搅拌2小时以上，配置均匀的高性能导电-导热水性石墨烯油墨。

4.使用涂布机将步骤3得到的水性石墨烯油墨均匀涂覆在粘有电极的熔喷无纺布表面，石墨烯油墨涂覆量约为0.012g/cm²-0.015g/cm²。

5.自然干燥后，得到具有自消毒功能的口罩过滤层。

最后通过商业化口罩的缝制流程，即可得到可自消毒、能重复利用的外科口罩。

口罩消毒方法：将导电电极的两极分别连接到直流电压源的正负极，保持通电10-30分钟后，断开电源，即完成消毒过程。

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。

实施例1

将柔性导电布胶带按照设计好的图案（图2所示）粘贴在熔喷无纺布的表面。将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比5:3混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。然后将上述混合溶液通过涂布机涂在带有柔性导电电极的熔喷无纺布表面（0.0126g/cm²），自然干燥。

对上述制得的改进后的过滤层的导电电极两极分别连接到直流电压源的正负极，如图3所示，电压为3v，保持通电30分钟后，断开电源。

图4为上述改进后的过滤层在3v电压下，温度随时间变化的曲线图。可以看出，改进后的过滤层在通电2分钟内温度可以上升至70℃以上。

附图5是上述改进后的过滤层在3v电压下通电30分钟后的表面热分布图。可以观察到发热较为均匀。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：导电电极的结构不同。

将柔性导电布胶带按照图6所示结构粘贴在熔喷无纺布的表面。将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比比例为5:3混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。然后将上述混合溶液通过涂布机涂在带有柔性导电电极的熔喷无纺布表面（0.0126g/cm²），自然干燥。

将导电电极的两极分别连接到直流电压源的正负，电压3v，保持通电30分钟后，如图7所示，观察到在该电极结构下表面发热不均匀。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：水性石墨烯导热油墨中水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯的重量比不同。

将柔性导电布胶带按照设计好的图案（图2所示）粘贴在熔喷无纺布的表面。

将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照不同的比例混合成水性石墨烯导热油墨，具体方案如下：

方案一：将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比5:2的比例混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。

方案二：将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比5:3的比例混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。

方案三：将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比5:4的比例混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。

将上述三种方案获得的水性石墨烯导热油墨通过涂布机涂在带有柔性导电电极的熔喷无纺布表面（0.0126g/cm²），自然干燥。其中，以5:4的比例混合的导热油墨非常浓稠，利用涂布机无法将其均匀的涂抹在熔喷无纺布表面。

将导电电极的两极分别连接到直流电压源的正负极，电压3v，保持通电10分钟，结果如附图8所示，可以看出，水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯重量比5:3的水性石墨烯导热油墨的导热性能较重量比5:2的好。

实施例4

将柔性导电布胶带按照设计好的图案（图2所示）粘贴在熔喷无纺布的表面。将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比比例为5:3混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。然后将上述混合溶液通过涂布机涂在带有柔性导电电极的熔喷无纺布表面（0.0126g/cm²），自然干燥。

将导电电极的两极分别连接到直流电压源的正负极，施加不同电压，观察不同电压下的温度变化情况，结果见图9。为了实现70-100℃之间的温度，优选3v电压。

实施例5

将柔性导电布胶带按照设计好的图案（图2所示）粘贴在熔喷无纺布的表面。将水性改性树脂和水性专用导电级石墨烯按照重量比比例为5:3混合，使用磁力搅拌机搅拌2小时以上使之均匀混合。然后将上述混合溶液通过涂布机涂在带有柔性导电电极的熔喷无纺布表面（0.009g/cm²），自然干燥。

将导电电极的两极分别连接到直流电压源的正负极，电压3v，保持通电10-30分钟后，断开电源。

图10为本实施例的过滤层在3v电压下的升温曲线，从图中可以看出，石墨烯导热膜的涂覆量过少（＜0.012g/cm²）使得导热效果不佳，不足以达到杀菌消毒的目的。