复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩与流程

本申请涉及口罩制备领域，具体而言，涉及一种复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩。

背景技术：

在2020年初突然爆发的新冠状病毒肆虐下，n95口罩和医用口罩脱销，市场上出现口罩难求的情况。市场中大部分口罩的过滤层都采用驻极布，即，采用电晕放电的方式，在不升高阻力的条件下，使普通熔喷布带有电荷从而提高对颗粒物的捕集和过滤。

口罩在使用中随着时间的增加静电荷会流失或者被中和，从而导致过滤效果下降，这也是现阶段口罩有有效期的根本原因。此外，酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等处理方法能够消毒灭菌，但是这些方式会极大加快静电消失，因此虽然处理后的口罩是无菌口罩，但其过滤效果也相应的消失了，失去了防护作用，所以现阶段市面上的民用及医用防护口罩大部分只能作为一次性消耗品使用，从而极大地造成了资源浪费。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩，能够解决现阶段市面上的民用及医用防护口罩大部分只能作为一次性消耗品使用，从而极大地造成了资源浪费的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种复合材料层的制备方法，所述制备方法包括：

采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层；以及

将所述复合过滤层层叠设置在支撑层上，以得到复合材料层。

在本申请实施例所述的复合材料层的制备方法中，所述将所述复合过滤层层叠设置在支撑层上，以得复合材料层的步骤之前，还包括：

采用第二保护层与所述第一保护层连接，以将所述纳米纤维过滤层夹持在所述第一保护层与所述第二保护层之间，形成复合过滤层。

在本申请实施例所述的复合材料层的制备方法中，所述采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层的步骤，包括：

将预设聚合物溶质加入预设溶剂中，并采用预设温度恒温搅拌第一预设时间段，得到聚合物溶液；

利用高速气流牵伸由喷丝模头流出的所述聚合物溶液形成细流，伴随着溶剂的蒸发使纤维细化形成纳米纤维；

在所述喷丝模头的预设距离处设置第一保护层，以在所述第一保护层上收集所述纳米纤维，所述纳米纤维形成纳米纤维过滤层。

在本申请实施例所述的复合材料层的制备方法中，所述将预设聚合物溶质加入预设溶剂中，并采用预设温度恒温搅拌第一预设时间段，得到聚合物溶液的步骤之前，还包括：

将预设溶剂超声处理第二预设时间段。

在本申请实施例所述的复合材料层的制备方法中，所述预设溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、丙酮以及甲酸中的一种或者多种混合形成；所述预设聚合物溶质包括聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺以及聚丙烯腈中的一种或多种混合形成；其中，所述聚合物溶液中的预设聚合物溶质的质量百分比为5％-25％。

第二方面，本申请实施例还提供一种复合材料层，包括：

支撑层；

第一保护层，所述第一保护层设置在所述支撑层上；以及

纳米材料过滤层，所述纳米材料过滤层设置在所述第一保护层上，所述纳米材料过滤层的材料包括聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺以及聚丙烯腈中的一种或多种的组合。

在本申请实施例所述的复合材料层中，所述第一保护层为聚对苯二甲酸或者乙烯-醋酸乙烯共聚物。

在本申请实施例所述的复合材料层中，所述支撑层为棉纺织布或者聚丙烯纺粘无纺布。

在本申请实施例所述的复合材料层中，还包括第二保护层，所述第二保护层，所述纳米材料过滤层夹设于所述第一保护层和所述第二保护层之间，所述第二保护层为棉纺织布或者聚丙烯纺粘无纺布。

第三方面，本申请实施例还提供一种口罩，包括采用以上所述的复合材料层形成的口罩本体以及设置于所述口罩本体上的带体。

本申请实施例提供的复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩，采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层，进而制备复合材料层，以该复合材料层作为口罩的核心过滤层，从而使得口罩可以在经过酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等方法进行有效消毒灭菌处理后可以多次使用，大大节约生产力和使用成本，减少浪费和后处理污染。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。

图1为本申请实施例提供的复合材料层的制备方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的复合材料的制备方法中的气流纺丝装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的复合材料层的制备方法的另一流程示意图；

图4为本申请实施例提供的复合材料层的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的复合材料层的另一结构示意图；以及

图6为本申请实施例提供的口罩结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的复合材料层的制备方法的流程示意图。其中，采用本申请实施例提供的复合材料的制备方法制备的复合材料层可应用于口罩中，使得口罩可以在经过酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等方法进行有效消毒灭菌处理后可以多次使用，大大节约生产力和使用成本。如图1所示，本申请实施例提供的复合材料层的制备方法的具体流程可以如下：

101、采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层。

其中，气流纺丝工艺是一种溶液法生产纳米纤维的纺丝方法，具体是一种利用高速气流牵伸由喷丝模头挤出的前驱聚合物溶液并伴随着溶剂的蒸发使纤维细化形成纳米纤维的方法。

需要说明的是，本申请采用的气流纺丝工艺是一种新型的制备纳米纤维的技术手段。和传统静电纺丝工艺相比，气流纺丝工艺生产纳米纤维的速率比之高几倍，故而在控制纳米纤维形貌和纳米纤维直径的同时能够实现生产规模化，且装置更简单，操作更安全便捷，成本低廉。

比如，请参阅图2，图2为本申请实施例提供的复合材料的制备方法中的气流纺丝装置的结构示意图。需要说明的是，图2所示的气流纺丝装置仅为本申请实施例提供的复合材料的制备方法采用的其中一种装置结构示意图，其仅用来说明气流纺丝工艺的原理。如图2所示，该气流纺丝装置200由压力调节器21、低压注射器22、注射泵23、压缩气体源20以及接收装置24等组成。

具体的，这种气流纺丝工艺使用一个注射泵23将聚合物溶液输送到由同轴低压注射器22所组成的装置，其中聚合物溶液通过同轴低压注射器22喷丝模头用泵输送，压缩气体源20通过压力调节器21输出高速气流通过喷嘴维持，进而将纳米纤维收集在接收装置24处。

气体/溶液界面处的压力差和气流剪切力将喷丝模头流出的聚合物溶液拉伸形成溶液细流，且伴随着气流方向朝向收集排出，在飞行过程中，伴随着溶剂组分快速蒸发，线性前驱体溶液细流中劈裂形成微米和纳米纤维网。溶液注射速率，气体流速，聚合物浓度，收集距离和内喷嘴的突出距离对纳米纤维直径皆有影响。聚合物类型和浓度对纤维直径的影响大于其他参数测试，注射速率，气流压力和收集距离皆会影纤维生产速率或纤维形态。纤维很容易形成微、纳米纤维，可直接收集在塑料、不锈钢网或转鼓上。实际上，几乎任何类型的目标都可以用于纳米的纤维收集。

在一些实施例中，采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层的步骤，包括：

1011、将预设聚合物溶质加入预设溶剂中，并采用预设温度恒温搅拌第一预设时间段，得到聚合物溶液。

1012、利用高速气流牵伸由喷丝模头挤出的聚合物溶液形成细流，伴随着溶剂的蒸发使纤维细化形成纳米纤维。

1013、在模头的预设距离处设置第一保护层，以在第一保护层上收集纳米纤维，纳米纤维形成纳米纤维过滤层。

具体的，以图2所示的气流纺丝装置为例，可将聚合物溶液装入由同轴低压注射器22所组成的装置，其中聚合物溶液通过同轴低压注射器22喷丝模头用泵输送，压缩气体源20通过压力调节器21输出高速气流通过喷嘴维持，在距模头预设距离处设置接收装置24，该接收装置上设置有第一保护层，进而将纳米纤维收集在第一保护层上。

其中，该第一预设时间段为2小时-6小时。该预设溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、丙酮以及甲酸中的一种或者多种混合形成。该预设聚合物溶质包括聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺以及聚丙烯腈中的一种或多种混合形成。进一步的，该预设聚合物溶液中的预设聚合物溶质的质量百分比为5％-25％。在其他实施例中，该预设聚合物溶液中的预设聚合物溶质的质量百分比还可以为8％，10％，13％，18％，22％等。

其中，该第一保护层为聚对苯二甲酸(pet)或者乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)。该第一保护层的面密度范围为10克每平方米(g/m2)-30克每平方米(g/m2)。

在一些实施例中，将预设聚合物溶质加入预设溶剂中，并采用预设温度恒温搅拌第一预设时间段，得到聚合物溶液的步骤之前，还包括：

1014、将预设溶剂超声处理第二预设时间段。

其中，该第一预设时间段为2小时-6小时，该第二预设时间段为18分钟-25分钟。本申请实施例提供的复合材料层的制备方法通过控制第一预设时间段以及第二预设时间段，从而可以调制出具有预设粘度的聚合物溶液。

102、将复合过滤层层叠设置在支撑层上，以得到复合材料层。

其中，该支撑层棉纺织布或者聚丙烯纺粘无纺布。该棉纺布的规格型号种类不做限制，主要符合透气性好，柔韧，与皮肤接触舒适度高的特性即可。该聚丙烯纺粘无纺布具有疏水性。该聚丙烯纺粘无纺布的面密度范围为10克每平方米(g/m2)-30克每平方米(g/m2)。需要说明的是，由于支撑层为聚丙烯纺粘无纺布，使得在对复合材料层进行清洗时不会破坏纳米纤维过滤层。此外，复合材料层应用于口罩中时，呼吸过程中含有水蒸气，由于支撑层为聚丙烯纺粘无纺布疏水材料，从而不会破坏纳米纤维过滤层。

在一些实施例中，将复合过滤层层叠设置在支撑层上，以得复合材料层的步骤，包括：采用线缝、热熔或胶粘的方式将所述复合过滤层与所述纺织布支撑层叠连接。

此外，请参阅图3，图3为本申请实施例提供的复合材料层的制备方法的另一流程示意图。如图3所示，将复合过滤层层叠设置在支撑层上，以得复合材料层的步骤之前，还包括：

103、采用第二保护层与第一保护层连接，以将纳米纤维过滤层夹持在第一保护层与第二保护层之间，形成复合过滤层。

其中，该第二保护层为棉纺织布或者聚丙烯纺粘无纺布。该聚丙烯纺粘无纺布的面密度范围为10克每平方米(g/m2)-30克每平方米(g/m2)。需要说明的是，第二保护层可以为疏水聚丙烯纺粘无纺布或者亲水聚丙烯纺粘无纺布。

在一些实施例中，采用第二保护层与第一保护层连接，以将纳米纤维过滤层夹持在第一保护层与第二保护层之间，形成复合过滤层的步骤，包括：采用超声复合机对第二保护层以及第一保护层进行焊接处理，以将纳米纤维过滤层夹持在第一保护层与第二保护层之间，形成复合过滤层。

本申请实施例提供的复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩，采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层，进而制备复合材料层，以该复合材料层作为口罩的核心过滤层，从而使得口罩可以在经过酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等方法进行有效消毒灭菌处理后可以多次使用，大大节约生产力和使用成本，减少浪费和后处理污染。

现在传统的纳米纤维制备方法为静电纺丝工艺，相较于静电纺丝工艺，本申请中提出的制备方法采用气流纺丝工艺，由于不需要高压静电源，生产过程更加安全，对聚合物溶液导电性也没有要求，可以选择的溶液体系更加广泛。纳米纤维在收集器上的堆积厚度也不会影响纤维质量。静电纺丝工艺因为场强的原因，收集一定厚度纳米纤维后会影响纤维质量，气流纺丝工艺单位时间产丝量是静电纺丝产丝量的几倍，大大解决了静电纺丝工艺不易规模化的问题。气流纺丝工艺可以快速制备面密度更高的纳米纤维过滤层，单独依靠纳米纤维过滤层就达到过滤效率。

下面将结合以下第一实施例、第二实施例、第三实施例以及第四实施例进行具体说明。

在第一实施例中，该第一保护层为5克每平方米(g/m2)的疏水eva热熔胶膜，第二保护层为25克每平方米(g/m2)的疏水聚丙烯纺粘无纺布。将适量聚酰胺(pa6)粉末加入甲酸溶剂中,采用50摄氏度(℃)保温搅拌4小时(h),最终获得质量分数12％的聚酰胺的聚合物溶液。将第一保护层布置于收集器上，设置收集距离为15cm，风力300米每分钟(m/min)，单针供液速度1.5毫升每小时(ml/h)，以使得在该第一保护层上形成该纳米纤维过滤层。纺丝完成后将第二保护层盖在第一保护层以及纳米纤维滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得复合过滤层。最后，采用25g每平方米的聚丙烯纺粘无纺布作为支撑层包覆复合材料层，进行线缝复合，以得到用于口罩的复合材料层。

对所得的复合材料层进行过滤测试，测试设备为tsi8130，测试条件：32l/min流量，0.3微米粒径盐雾。过滤效率为98.2％，气阻120帕斯卡(pa)。

在第二实施例中，该第一保护层为10克每平方米(g/m2)的疏水eva热熔胶膜，第二保护层为20克每平方米(g/m2)的聚丙烯纺粘无纺布。将二甲基甲酰胺(dmf)/乙酸乙酯(mac)＝1:1溶剂混合,超声分散处理20分钟；再将适量聚氨酯(tpu)颗粒加入超声处理好的溶剂中，搅拌4小时(h),最终获得质量分数22％聚氨酯的聚合物溶液。将第一保护层布置于收集器上，设置收集距离为21厘米(cm)，风力400米每分钟(m/min)，单针供液速度4.0毫升每小时(ml/h)，以使得该聚合物溶液在该第一保护层上形成纳米纤维过滤层。纺丝完成后将第二保护层盖在该第一保护层以及纳米纤维滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得复合过滤层。最后，采用20克每平方米(g/m2)的聚丙烯pp无纺布作为支撑层包覆复合过滤层，进行线缝复合，以得到用于口罩的复合材料层。

对所得的复合材料层进行过滤测试，测试设备为tsi8130，测试条件：32l/min流量，0.3微米粒径盐雾。过滤效率为95.5％，气阻135帕斯卡(pa)。

在第三实施例中，第一保护层为10克每平方米(g/m2)的pet无纺布，第二保护层为25克每平方米(g/m2)的棉纺织布。将适量聚丙烯腈(pan)粉体加入二甲基甲酰胺溶剂中，60摄氏度(℃)保温搅拌4小时,最终获得15％聚丙烯腈的聚合物溶液。将第一保护层pet无纺布置于收集器上，设置收集距离为30厘米(cm)，风力280米每分钟(m/min)，单针供液速度2.0毫升每小时(ml/h)；以使得该聚合物溶液在该第一保护层上形成纳米纤维过滤层。纺丝完成后将第二保护层盖该第一保护层以及纳米纤维滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得复合过滤层。最后，采用纺织布支撑层包覆复合过滤层，进行线缝复合，以得到用于口罩的复合材料层。

对所得的复合材料层进行过滤测试，测试设备为tsi8130，测试条件：32l/min流量，0.3微米粒径盐雾。过滤效率为96.1％，气阻98帕斯卡(pa)。

在第四实施例中，第一保护层为5克每平方米(g/m2)的pet无纺布，第二保护层为25克每平方米(g/m2)的棉纺布。将适量聚偏氟乙烯粉体加入二甲基甲酰胺溶剂中，55摄氏度(℃)保温搅拌4h,16％聚偏氟乙烯(pvdf)的聚合物溶液。将第一保护层pet无纺布置于收集器上，设置收集距离为20厘米(cm)，风力350米每分钟(m/min)，单针供液速度2.3毫升每小时(ml/h)。纺丝完成后将第二保护层盖该第一保护层以及纳米纤维滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得复合过滤层。最后，采用棉纺织布支撑层包覆复合过滤层，进行线缝复合，得到用于口罩的复合材料层。

对所得的复合材料层进行过滤测试，测试设备为tsi8130，测试条件：32l/min流量，0.3微米粒径盐雾。过滤效率为97.2％，气阻105帕斯卡(pa)。

需要注意的是，聚偏氟乙烯纳米纤维平均直径更小，相同过滤效率下其有效孔径更小，面密度更低，且聚偏氟乙烯属于有机驻极体，纺丝过程中通过纤维自摩擦进行加电，可以有效提高过滤效率。聚氨酯纳米纤维直径分布更均匀，工艺更稳定，且纤维具有较好弹性，使用中不易损毁。

在下述表格中为对比例；因口罩使用中随着时间的增加以及呼吸中的水蒸气，会降低过滤材料的静电效应，为研究静电极端失效情况，本申请对材料进行除静电处理。本申请中气流纺丝制备的pvdf(聚偏氟乙烯)纳米纤维和ps(聚苯乙烯)纳米纤维与市场上熔喷pp纤维及玻璃纤维在去除静电前后性能的对比表如表1所示：

测试设备为tsi8130，测试条件：32l/min流量，0.3微米粒径盐雾。

表1为本申请中气流纺丝制备的pvdf(聚偏氟乙烯)纳米纤维和ps(聚苯乙烯)纳米纤维与市场上熔喷pp纤维及玻璃纤维在去除静电前后性能的对比表。

其中，玻纤滤材虽然过滤效果非常好，但吸入人体会有致癌可能，且空气阻力非常大，不适合作为口罩的制作材料。熔喷滤材的空气阻力小，但是过滤效果不稳定，在使用过程中静电消失或被中和会使得效率逐渐降低，增加了粉尘和病菌透过风险，尤其是对其进行酒精消毒后其静电效果完全失效，若再次佩戴使用则口罩的防护功能等同虚设,所以只能用作一次性防护口罩。本申请中提供的以疏水纳米纤维过滤层为核心制作的口罩则不存在此类风险，使用过程中过滤效果不会降低，且进行酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸消毒处理后仍具有较高的过滤效果，可以进行多次使用。

请参照图4，图4为本申请实施例提供的复合材料层的结构示意图。该复合材料层采用上述任意实施例中复合材料层的制备方法制备形成。具体地，如图4所示，该复合材料层包括：支撑层201、第一保护层202以及纳米纤维过滤层203。

请参照图5，图5为本申请实施例提供的复合材料层的另一结构示意图。该复合材料层采用上述任意实施例中复合材料层的制备方法制备形成。具体地，如图5所示，该复合材料层包括：支撑层201、第一保护层202、纳米纤维过滤层203以及第二保护层204。

本申请实施例提供的复合材料层，采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层，进而制备复合材料层，以该复合材料层作为口罩的核心过滤层，从而使得口罩可以在经过酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等方法进行有效消毒灭菌处理后可以多次使用，大大节约生产力和使用成本，减少浪费和后处理污染。

请参照图6，图6为本申请实施例提供的口罩结构示意图。如图6所示，本申请实施例还提供了一种口罩，该口罩包括采用上述的复合材料层形成的口罩本体100以及设置于所述口罩本体100上的带体200。其中，该带体200采用缝纫或者粘接在该口罩本体100上。

本申请实施例提供的复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩，采用气流纺丝工艺在第一保护层上制备纳米纤维过滤层，进而制备复合材料层，以该复合材料层作为口罩的核心过滤层，从而使得口罩可以在经过酒精、高温、紫外、熏蒸、煮沸等方法进行有效消毒灭菌处理后可以多次使用，大大节约生产力和使用成本，减少浪费和后处理污染。

以上对本申请实施例所提供的一种复合材料层的制备方法、复合材料层及口罩进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。