热舒适性防PM的制作方法

热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明属于空气过滤材料技术领域，具体涉及一种热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯及其制备方法。


背景技术：

[0002]
空气中悬浮的颗粒物以及附着在颗粒物上的病菌严重影响到人们的日常生活和身体健康，受新冠肺炎的影响，口罩已成为人们日常生活中不可或缺的防护品。人们在追求有效过滤颗粒污染物的同时，对口罩的舒适性也提出了新的要求。
[0003]
佩戴口罩产生的面部闷热感普遍存在，目前商用普通一次性口罩轻薄却不能有效防护pm
2.5
，一次性医用口罩和n95口罩防护性能好但并未考虑人体面部的热舒适性。
[0004]
静电纺丝技术是制备纳米多孔聚合物纤维材料的一种简单有效的方法，具有孔径可控、易于实现功能化、操作方便等的优势，被广泛用于过滤材料中。
[0005]
2017年5月，专利cn107048538a公开了一种三层复合抗菌防雾霾口罩及其制备方法，该专利通过静电纺丝法制得纳米纤维材料，之后经预氧化、碳化、再次直接电纺等处理方式获得抗菌纤维膜，且能滤杀有害菌。其过滤效率≥99％，透气率≥18cm/s，过滤阻力＜120pa。该滤料可以实现高效过滤，杀害病菌，但未考虑人体面部闷湿感，影响人体佩戴时的舒适度。
[0006]
2013年12月，专利cn104740934a公开了一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料及其制备方法，该专利采用静电纺丝技术，将接收装置改变成贴合人体面部立体模型的金属网，所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2～1μm之间，立体形状与人脸部密合程度高，对pm
2.5
、pm
1.0
过滤效率达到100％，透气率≤200pa。该专利在物理结构方面满足佩戴者的面部舒适感，但是人体面部闷热感未被考虑。
[0007]
2019年10月，专利cn110660875a公开了一种利用透明中红外辐射纤维素薄膜冷却光伏组件的方法，该专利将具有红外辐射能力的透明材料嵌入到光伏组件中，使其在工作状态下可以通过大气窗口波段的热辐射，从而达到冷却光伏组件的目的，但这种零能耗的表面冷却技术未被应用于人体面部过滤器中。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是：提供一种适用于人体面部的热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯及其制备方法，主要是利用辐射冷却原理，通过静电纺丝及化学工艺等方法加工处理功能性聚合物材料，制备得到具有良好pm
2.5
过滤性和面部热舒适性的口罩滤芯材料。
[0009]
该滤芯材料由可以透过人体中红外波段的聚合物纳米纤维薄膜和可以阻挡大气环境可见光波段的纳米纤维薄膜组成。其中透红外纳米纤维膜中添加了具有增透红外功能的纳米颗粒，达到辅助散失人体产生热辐射的目的，作为热舒适性口罩滤芯内层。其中阻可见光的纳米纤维膜中添加了辐射隔热颗粒，减少大气环境对人体的热辐射，作为热舒适性口罩滤芯外层。
[0010]
本发明的目的通过以下技术方案实现。
[0011]
一种热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯，包括靠近皮肤侧的透红外内层滤芯以及靠近环境侧的阻可见光外层滤芯，所述两层滤芯进行密集型缝合。
[0012]
优选的，所述内层滤芯为添加了具有增透红外功能的纳米颗粒的纳米纤维薄膜，所述外层滤芯为添加了阻可见辐射颗粒的纳米纤维薄膜。
[0013]
优选的，所述滤芯内外层的透红外聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或几种。
[0014]
优选的，所述具有增透红外功能的颗粒可为氟化钙、氟化镁、氧化锌等中的一种或几种。
[0015]
优选的，所述隔热纳米颗粒可为二氧化硅、二氧化钛和二氧化铬中的一种或几种，粒径为10～80nm。
[0016]
优选的，所述的热舒适性滤芯具有透过人体红外辐射、阻挡大气环境可见光的功能；对人体红外波段的透过率≥85％，对可见光波段的透过率≤60％。
[0017]
优选的，所述内层滤芯可以透过人体面部散发的热辐射，对人体红外透过率≥85％，从而达到散发人体辐射热的目的。
[0018]
优选的，所述外层滤芯可以阻挡周围环境对人体的热辐射，所述外层滤芯对大气可见光热辐射的透过率≤60％。
[0019]
优选的，所述口罩滤芯的克重为3.3～5g/m2，透湿性能0.01～0.02g/(cm
2 h)，孔隙率≥85％，平均纤维直径为0.2～1μm，对≥0.3μm颗粒的过滤效率90％～99.95％，阻力为3～200pa，可以实现对pm
2.5
的高效过滤。
[0020]
以上所述的任一种对人体面部热舒适性能的空气过滤口罩滤芯材料的制备方法，包括以下步骤：
[0021]
(1)配制纺丝液a：将聚合物与溶剂混合均匀，然后加入增透红外功能的颗粒，超声震荡直至颗粒分散均匀，室温搅拌后得到稳定的聚合物纺丝液a；
[0022]
(2)静电纺丝：首先将静电纺装置的辊轴金属极板改变为导电性能更佳的紫铜网极板，调节工艺参数，设置环境参数，将纺丝液a加到静电纺丝装置中，通过静电纺丝制备得到纳米纤维膜材料；
[0023]
(3)将步骤(2)制备的纳米纤维膜材料在25～35℃恒温环境中干燥，得到所述的具有透过红外性能的高效过滤口罩滤芯内层a；
[0024]
(4)配制纺丝液b：将聚合物与溶剂混合，室温搅拌8～10h，得到纺丝液b，注意选择纺丝液b的聚合物和溶剂与纺丝液a相同；
[0025]
(5)将纺丝液b加到静电纺丝装置中，经过静电纺丝得到聚合物纳米纤维膜b；
[0026]
(6)配制溶液c：将无机粒子m加入盐酸的水溶液中得到溶液c，将纳米纤维膜b浸泡在溶液c后使其活化2～20min，取出膜后用去离子水清洗1～3次得到纳米纤维膜c；
[0027]
(7)配制前驱体溶液d：将溶质n加入水中得到溶液d，将纳米纤维膜c浸泡在溶液d后放入被稀释的酸性水溶液e，然后放入超声仪中，超声4～6h后用去离子水和无水乙醇分别清洗1～3次，得到纳米纤维膜d；
[0028]
(8)将(7)制备的纤维膜d在60～90℃的真空环境中干燥，得到由隔热颗粒包覆的具有阻挡可见光功能的口罩滤芯外层e；
[0029]
(9)将滤芯内层a与滤芯外层e经过密集型缝合得到热舒适性防pm
2.5
口罩滤芯。
[0030]
优选的，步骤(1)所述聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或几种；步骤(1)所述的溶剂为甲酸、n，n-二甲基甲酰胺中的一种或几种；步骤(1)所述的增透红外功能的颗粒为氟化钙、氟化镁、氧化锌中的一种或几种。
[0031]
优选的，步骤(1)所述的聚合物在纺丝液中的质量浓度为12～20wt.％；具有增透红外功能的颗粒在聚合物溶液中的浓度为0.02～0.16mol/l；
[0032]
优选的，步骤(3)所述的干燥时间为18～24个小时；
[0033]
优选的，步骤(6)中无机粒子m为二氯化锡、氯化钯中的一种或几种；步骤(7)中溶质n为氟钛酸铵，氧氯化锆中的一种或几种；酸性水溶液可以是硼酸、盐酸、甲酸中的一种或几种。
[0034]
优选的，步骤(2)和步骤(5)中，所述静电纺丝装置包括推注系统、纺丝溶液注射系统、静电高压系统和改进后的紫铜旋转辊轴接收系统；所述静电纺丝工艺参数设定为静电纺丝电压为15～25kv，接收距离为10～20cm，注射速度为0.05～0.25mm/min，温度为18～35℃，相对湿度为30～70％；
[0035]
优选的，步骤(4)所述的聚合物在纺丝液中的质量浓度为12～20wt.％；
[0036]
优选的，步骤(6)所述的溶液c中无机粒子m的质量浓度为0.3～0.5wt.％；
[0037]
优选的，步骤(7)所述的前驱体溶液d中溶质n的浓度为0.01～0.05mol/l，酸性水溶液的浓度为0.02～0.03mol/l；
[0038]
优选的，步骤(8)所述的真空干燥时间为8～10个小时。
[0039]
与现有的技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
[0040]
本发明的热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯的平均纤维直径为0.2～1μm，膜的孔隙率≥85％，透湿性能0.01～0.02g/(cm
2 h)，对≥0.3μm颗粒的过滤效率为90％～99.95％，阻力为3～200pa，所制备的热舒适性口罩滤芯对人体红外透过率≥85％，对环境中携带大量辐射热的可见光透过率≤60％。
[0041]
本发明引入辐射冷却概念，将零能耗表面冷却技术与纳米纤维过滤材料结合，通过增强红外光的透过率，减弱可见光的透过率，实现人体面部的热舒适性与pm
2.5
的高效过滤性。
[0042]
本发明通过以静电纺丝工艺为主的化学工艺手段，通过控制纳米纤维材料的孔隙率与直径控制材料的辐射制冷性，保证纤维滤芯材料具有防pm
2.5
功能的同时满足人体对面部热舒适性的需求。
[0043]
本发明的热舒适性口罩滤芯材料的制作方法较为简单，以静电纺丝工艺为主，以超声处理等化学工艺手段为辅即可完成，不需要特殊的装置和设备，可适用于一系列广泛的热舒适性口罩滤芯膜材料制备。
附图说明
[0044]
图1是本发明所用静电纺丝装置的结构示意图。
[0045]
图中编号说明如下：1-静电纺丝装置的推注系统；2-纺丝溶液注射器；3-静电高压系统；4-旋转辊轴接收系统。
[0046]
图2是本发明的热舒适性口罩滤芯材料结构示意图。
[0047]
图中编号说明如下：5-透红外口罩滤芯内层；6-阻可见口罩滤芯外层。
[0048]
图3是实施例1滤芯材料与对比测试例1的一次性口罩的傅里叶红外变换光谱图。
[0049]
图4是实施例2滤芯材料与对比测试例1的一次性口罩的傅里叶红外变换光谱图。
[0050]
图5是实施例3滤芯材料与对比测试例1的一次性口罩的傅里叶红外变换光谱图。
[0051]
图6是实施例滤芯材料的紫外可见分光光度计测试图。
[0052]
图7是实施例1-3与对比测试例2的一次性口罩和kn95口罩对不同直径颗粒的捕获效率对比图。
[0053]
图8是实施例1-3与对比测试例3的一次性口罩和kn95口罩的过滤压降对比图。
具体实施方式
[0054]
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
[0055]
实施例1
[0056]
一种热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯的制备方法，具体步骤为：
[0057]
(1)将2g聚酰胺66添加到8g甲酸中混合，用玻璃棒搅拌均匀，注意在取用甲酸时打开通风橱操作；将0.75g氧化锌(纯度99.5％，平均粒径20nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，搅拌均匀配制成溶液a；
[0058]
(2)将纺丝溶液a加到静电纺丝装置中的注射系统(参见图1)，图1中包括推注系统1、注射系统2、静电高压系统3和接收系统4。将接收系统改进为紫铜网接收极板，静电纺丝工艺参数为：接收距离为15cm，静电高压为20kv，推注速度为0.1mm/min，温度为35℃，相对湿度为60％。经过30min的纺丝时间后得到纳米纤维膜；
[0059]
(3)将膜置于30℃恒温环境中干燥24h后得到透红外口罩滤芯内层a；
[0060]
(4)将2g聚酰胺66与8g甲酸混合，玻璃棒搅拌混合均匀，磁力搅拌9h得到纺丝液b；
[0061]
(5)将(4)纺丝液b通过静电纺丝，其中的设备与参数同步骤(2)一致，得到纳米纤维膜b；
[0062]
(6)将4g二氯化锡加入到1l盐酸(质量分数为37％)中配制成溶液c；将(5)得到的纤维膜b浸泡在c中5min，取出后用去离子水洗3遍，得到被润湿的纳米纤维膜c；
[0063]
(7)将2g氟钛酸铵加入1l水中配制成溶液d；在硼酸溶液中添加水配制成浓度为0.03mol/l的溶液e，将(6)得到的纤维膜c先后浸泡在溶液d和溶液e中，超声5h后用去离子水和无水乙醇分别清洗2次，得到由二氧化钛包覆的纳米纤维膜d；
[0064]
(8)将(7)得到的纤维膜d放置到60～90℃的真空环境中干燥8h，得到阻可见口罩滤芯外层e；
[0065]
(9)将滤芯内层a与滤芯外层e进行密集型缝合得到所述的具有热舒适性防pm
2.5
功能的口罩滤芯膜材料。
[0066]
本实施例所制得口罩滤芯人体中红外透过率为85～90％(参见图3)，滤芯材料对可见光的透过率≤50％(参见图6)；利用image-proplus软件对sem图像分析得到所制得口罩滤芯的平均纤维直径为200nm，利用实验室搭建的滤料测试平台得到该滤芯材料在风速为5.3cm/s时，对0.3μm颗粒的过滤效率为96.49％(参见图7)，压降为102pa(参见图8)。
[0067]
实施例2
[0068]
一种热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯的制备方法，具体步骤为：
[0069]
(1)将1.2g聚酰胺6与8.6g甲酸混合均匀，注意在取用甲酸时佩戴防毒面具并打开通风橱操作；将0.12g氟化钙置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，搅拌均匀配制成溶液a；
[0070]
(2)将纺丝溶液a加到静电纺丝装置中的注射系统(参见图1)，图1中包括推注系统1、注射系统2、静电高压系统3和接收系统4。将接收系统改进为紫铜网接收极板，静电纺丝工艺参数为：接收距离为10cm，静电高压为25kv，推注速度为0.05mm/min，温度为28℃，相对湿度为35％，纺丝时间为30min，得到纳米纤维膜；
[0071]
(3)将膜置于25℃恒温环境中干燥22h得到透红外滤芯内层a；
[0072]
(4)将1.2g聚酰胺6与8.6g甲酸混合均匀，室温搅拌10h得到纺丝溶液b；
[0073]
(5)将(4)纺丝液b通过静电纺丝，其中的设备与参数同步骤(2)一致，得到纳米纤维膜b；
[0074]
(6)将5g二氯化锡加入到1l盐酸(质量分数为37％)中配制成溶液c；将(5)得到的纤维膜b浸泡在c中3min，取出后用去离子水洗3遍，得到纳米纤维膜c；
[0075]
(7)将2g氟钛酸铵加入1l水中配制成溶液d；在硼酸溶液中添加水配制成浓度为0.03mol/l的溶液e，将(6)得到的纤维膜c先后浸泡在溶液d和溶液e中，超声6h后用去离子水和无水乙醇分别清洗2次，得到由二氧化钛包覆的纳米纤维膜d；
[0076]
(8)将(7)得到的纤维膜d放置到60～90℃的真空环境中干燥9h，得到阻可见口罩滤芯外层e；
[0077]
(9)将滤芯内层a与滤芯外层e进行密集型缝合得到所述的具有热舒适性防pm
2.5
功能的口罩滤芯膜材料。
[0078]
本实施例所制得口罩滤芯人体中红外透过率为87.13～97.63％(参见图4)，滤芯材料对可见光的透过率≤60％(参见图6)；利用image-proplus软件对sem图像分析得到所制得口罩滤芯的所制得口罩滤芯的平均纤维直径为365nm，透湿性能为0.0131g/cm2/h，利用实验室搭建的滤料测试平台得到该滤芯材料在风速为5.3cm/s时，对0.3μm颗粒过滤效率为97.12％(参见图7)，压降为80pa(参见图8)。
[0079]
实施例3
[0080]
一种热舒适性防pm
2.5
的纳米纤维口罩滤芯的制备方法，具体步骤为：
[0081]
(1)将1.87g聚丙烯腈与13.68g n，n-二甲基甲酰胺混合均匀；将0.15g氟化镁置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，搅拌均匀配制成溶液a；
[0082]
(2)将纺丝溶液a加到静电纺丝装置中的注射系统(参见图1)，图1中包括推注系统1、注射系统2、静电高压系统3和接收系统4。将接收系统改进为紫铜网接收极板，静电纺丝工艺参数为：接收距离为20cm，静电高压为20kv，推注速度为0.1mm/min，温度为26℃，相对湿度为50％，纺丝时间为40min，得到纳米纤维膜；
[0083]
(3)将膜置于35℃恒温环境中干燥18h得到透红外滤芯内层a；
[0084]
(4)将1.87g聚丙烯腈与13.68g n，n-二甲基甲酰胺混合均匀，室温搅拌8h得到纺丝溶液b，
[0085]
(5)将(4)纺丝液b通过静电纺丝，其中的设备与参数同步骤(2)一致，得到纳米纤维膜b；
[0086]
(6)将4g二氯化锡加入到1l盐酸(质量分数为37％)中配制成溶液c；将(5)得到的纤维膜b浸泡在c中8min，取出后用去离子水洗3遍，得到纳米纤维膜c；
[0087]
(7)将3g氟钛酸铵加入1l水中配制成溶液d；在硼酸溶液中添加水配制成浓度为0.03mol/l的溶液e，将(6)得到的纤维膜c先后浸泡在溶液d和溶液e中，超声5h后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，得到由二氧化钛包覆的纳米纤维膜d；
[0088]
(8)将(7)得到的纤维膜d放置到60～90℃的真空环境中干燥10h，得到阻可见口罩滤芯外层e；
[0089]
(9)将滤芯内层a与滤芯外层e进行密集型缝合得到所述的具有热舒适性防pm
2.5
功能的口罩滤芯膜材料。
[0090]
本实施例所制得口罩滤芯人体中红外透过率为81.94～98.1％(参见图5)，滤芯材料对可见光的透过率≤60％(参见图6)；利用image-proplus软件对sem图像分析得到所制得口罩滤芯的所制得口罩滤芯平均纤维直径为662nm，利用实验室搭建的滤料测试平台得到该滤芯材料在风速为5.3cm/s时，对0.3μm颗粒的过滤效率为92.97％(参见图7)，压降为27pa(参见图8)。
[0091]
对比测试例1
[0092]
一次性口罩的傅里叶红外变换光谱测试，测试与实施例1-3相同；其对中红外透过率≤5％，测试结果参见图3-5。
[0093]
对比测试例2
[0094]
一次性口罩和kn95口罩对不同直径颗粒的捕获效率测试，测试条件与实施例1-3相同；一次性口罩对≤1.0μm粒径的粒子捕获能力≤65％，kn95口罩对颗粒的捕获性能仅次于实施例。测试结果参见图7。
[0095]
对比测试例3
[0096]
一次性口罩和kn95口罩的过滤压降测试，测试条件与实施例1-3相同；测试结果参见图8。
[0097]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例做出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。