CN105559203B - 一种具有防雾霾功能的口罩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防雾霾功能的口罩及其制备方法，口罩以“负载纳米TiO₂的活性炭纤维布+活性炭层”为主体功能材料的防雾霾功能的口罩，原料易得，制备方便，结构简单，生产成本较低；除了具有常规口罩的过滤阻尘功能以外，更将纳米TiO₂在紫外线下的光催化能力与活性炭纤维和活性炭层的高吸附能力相结合，提供了防雾霾口罩对细菌病毒的杀灭，以及有机污染物的分解和吸附能力。

Description

一种具有防雾霾功能的口罩及其制备方法

技术领域

本发明涉及环境保护和卫生防护的技术领域，特别涉及一种具有防雾霾功能的口罩及其制备方法。

背景技术

雾霾是一种大气污染状态，由空气中的水分、灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等成份组成。近年来随着空气质量的恶化，雾霾天气现象出现增多、危害加重，我国对雾霾的关注程度日益加重，不少地区将雾霾作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。

雾霾中含有各种对人体有害的细颗粒、有毒物质达20多种，包括了酸、碱、盐、胺、酚等，以及尘埃、花粉、螨虫、流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌等，其含量是普通大气水滴的几十倍。通常认为Pm2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）是造成“雾霾天气”的“元凶”。公众出门一般采取戴口罩的方式降低雾霾对健康的影响。

传统口罩以过滤阻尘为目的。其阻尘效率的高低是以其对微细粉尘，尤其是5微米以下的呼吸性粉尘的阻隔效率为标准。但是，一些存在于空气中呈气溶胶状态的有机物和细菌、病毒等，会从口罩面料的网眼中穿过去，进入呼吸系统，危害人体健康。

本发明所公开的“负载纳米TiO₂的活性炭纤维布+活性炭层”为主体功能材料的防雾霾功能的口罩，除了具有常规口罩的过滤阻尘功能以外，更将纳米TiO₂在紫外线下的光催化能力与活性炭纤维和活性炭层的高吸附能力相结合，提供了本发明对细菌病毒的杀灭、有机污染物的分解和吸附能力。

纳米TiO₂无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性能好，能有效利用太阳能（约总太阳光强的3%）光催化氧化有机物。研究表明：在锐钛型TiO₂和金红石型TiO₂混合比例约75:25时，纳米TiO₂的光催化氧化能力最强。此外，在纳米TiO₂中适度掺杂Fe³⁺、Mo⁵⁺、Ru³⁺、V⁴⁺等过度金属离子，可将激发光的波长范围从387nm以下扩大到可见光区（约600nm），有效促进光催化反应；将光活性化合物如、硫堇、荧光素衍生物等吸附于光催化剂表面，可扩大激发光波长范围，提高纳米TiO₂对太阳能的利用率，增加光催化反应的效率。

活性炭纤维具有丰富的微孔和巨大的比表面积，其吸附容量远远高于沸石、树脂、硅胶等多孔吸附材料，也远高于其他同类型活性炭产品。基于上述结构特点，活性炭纤维布对有机物具有很强的吸附能力，可以吸附去除PPm、PPb级别甚至更低浓度的有机污染物。但由于吸附饱和后必须进行脱附再生才能继续使用，存在操作工艺复杂、容易产生二次污染等问题。而在改性活性炭纤维表面负载纳米TiO₂，使有机物在活性炭纤维表面富集时由于光催化氧化作用得到快速有效的降解，使活性炭纤维原位再生，可有效解决上述问题。

中国专利申请号201520277096.6，授权公告日2015年08月26日的专利文件公开了一种防雾霾抗菌口罩，该口罩内外层之间设置放置腔，在其中分别放入滤片和药物袋，从而起到过滤雾霾中有毒粉尘和清咽利喉的作用，口罩共10层。其中，口罩内层由麻赛尔纤维、涤纶纤维等混纺而成的表层织物（1），以及竹炭纤维等混纺而成的里层织物（2）组成；口罩外层由罗布麻纤维和天丝等混纺纱织造而成的上层织物（3），以及精梳长绒棉等混纺而成的下层织物（4）组成；滤片由银纤维抗菌层（5），微孔海绵（6）和活性炭颗粒与高碘树脂混合层（7）、氧化钛吸附层（8）、活性炭吸附层（9）组成的过滤层，以及熔喷无纺布层（10）组成；药物袋中放置中草药以起到清咽利喉的作用。

中国专利申请号201510099670.8，申请公布日2015年5月20日的专利文件公开了一种防汽车尾气防雾霾口罩，所用材料从外到内依次为表面负载纳米TiO₂的棉织物、聚丙烯纺粘无纺布、静电驻极聚丙烯纺粘无纺布、负载CO消除剂的活性炭纤维层、聚丙烯纺粘无纺布和表面负载茶多酚的棉织物共6层。表面负载纳米TiO₂的棉织物采用丙烯酸酯、纳米TiO₂和水等混合后，将棉织物二浸二轧烘干而得；负载CO消除剂的活性炭纤维层采用将血红蛋白、维生素C、碳酸钠和水等按照一定比例配成溶液后，活性炭浸入6小时烘干而得；表面负载茶多酚的棉织物，将茶多酚加水和少量磷酸氢二钠-柠檬酸按照一定比例配制成水溶液，加热到90℃浸泡60min烘干即得。

上述发明所公开的防雾霾口罩，主要存在以下问题：

1.过度重视口罩的过滤除尘和有机污染物吸附去除的功能，使用了过多的过滤阻尘和有机物吸附材料，而忽视了口罩的透气性。口罩所用面料从每一种来看透气性能都很好，但与微孔海绵层、活性炭层等多层材料叠放在一起后，由于厚度较大，使佩戴者呼吸不畅，也增加了口罩的制作成本，降低其市场适应性。

2.发明中使用了纳米TiO₂，将其作为一种吸附材料用于吸附有机物。但据资料显示，纳米TiO₂对有机物的去除主要基于其在紫外线环境中的光催化功能将有机物氧化分解，而不是简单的物理吸附作用。

3.发明中将纳米TiO₂负载在棉织物表面。但由于棉织物的比表面积相对较小，单位体积所负载的纳米TiO₂不多；棉织物的性能造成加热烘干纳米TiO₂的温度较低，纳米TiO₂和所负载的棉织物之间负载不稳定，使用中易脱落影响效果；此外，所用的纳米TiO₂不能保持在锐钛型TiO₂和金红石型TiO₂混合比例约75:25的最佳光催化混晶结构；不能确保由此制成的活性炭纤维负载TiO₂催化剂达到最佳的光催化效果。与之相比，将锐钛型TiO₂和金红石型TiO₂混合比例约75:25的纳米TiO₂附着在活性碳纤维布表面，具有稳定性好，黏结度高，负载均匀等优点，也可达到对有机物最佳的光催化效果。

4.发明中将纳米TiO₂负载在棉织物表面。但纳米TiO₂中没有掺杂Fe³⁺、Mo⁵⁺、Ru³⁺、V^{4 +}等过度金属离子，也没有添加如硫堇、荧光素衍生物等光活性化合物，因此激发光波长范围仍保持在387nm以下，对光催化反应没有积极的促进作用，导致由此制成的活性炭纤维负载TiO₂催化剂不能达到最佳的光催化效果。

发明内容

针对现有防雾霾口罩存在的问题，本发明提供一种以“负载纳米TiO₂的活性炭纤维布+活性炭层”为主体功能材料的防雾霾功能的口罩，原料易得，制备方便，结构简单，生产成本较低；除了具有常规口罩的过滤阻尘功能以外，更将纳米TiO₂在紫外线下的光催化能力与活性炭纤维和活性炭层的高吸附能力相结合，提供了防雾霾口罩对细菌病毒的杀灭，以及有机污染物的分解和吸附能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有防雾霾功能的口罩，包括口罩主体，其中：口罩主体为由外至内依次叠设的五层结构：薄型无纺布层、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布层、活性炭过滤层、过滤布层和内层无纺布层，紫外线能透过薄型无纺布层照射在表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布层上。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的口罩主体的外侧中部设置有鼻夹，口罩主体的两侧设置有固定带。

上述的鼻夹为柔性塑料鼻夹。

具有防雾霾功能的口罩为杯罩式口罩或折叠式口罩。

一种具有防雾霾功能的口罩的制备方法，包括以下步骤：

一、制备负载纳米TiO₂的活性炭纤维布，其步骤为：

（1）预处理：将活性炭纤维布在双氧水中浸泡后用去离子水冲洗，真空干燥后待用；

（2）溶液制备：将环氧树脂溶解于丙酮中，搅拌并依次加入市售纳米TiO₂（德固赛P25），UV-P[2-（2ˊ-羟基-5ˊ-甲基苯基）苯并三氮唑]和纳米Fe₂O₃；

（3）浸渍烘干：将活性炭纤维布放入溶液中浸渍，在氮气气氛下烘干，即可得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布；

二、制备口罩，其步骤为：

（1）层叠：依次将薄型无纺布、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布、活性炭过滤层、过滤布和无纺布从外到内叠放在一起；

（2）裁切：按照所需规格大小和外型裁切；

（3）成型：加装固定带、鼻夹后热压成型，得到具有防雾霾功能的口罩。

步骤一中所用活性碳纤维布为酚醛基纤维、PAN基纤维、黏胶基纤维中的一种或几种经高温炭化而成。

步骤一（1）预处理所用双氧水质量比8~10%；浸泡时间为1~2h，用去离子水冲洗5次后真空干燥，温度在100~120℃，干燥时长2~4h。

步骤一（2）中所用环氧树脂的环氧值0.25~0.45；每1L丙酮中溶解环氧树脂10~20g，纳米TiO₂15~40g，丙酮中溶解的纳米TiO₂、UV-P和Fe³⁺的质量比为：100:10~50:5~10。

步骤一（3）中将活性炭纤维布放入溶液中浸渍15~60min，在氮气气氛下，于100~120℃烘干0.5h去除活性炭纤维布表面的有机溶剂并使环氧树脂固化；然后升温到350~450℃烘干1.5~4.0h，使活性炭纤维布表面残存的少量有机物进一步烧结去除，即可得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布。

活性炭纤维布的比表面积在1200~2500m².g^-1，厚度0.3~1mm，克重10~20 g. m^-2。

与现有技术相比，本发明的口罩主体采用五层结构，各层作用如下：

（1）最外层的薄型无纺布主要起阻隔大颗粒粉尘的作用，由于厚度小不会阻碍紫外线与第二层（负载纳米TiO₂的活性炭纤维布）的接触，同时也可保护第二层的负载纳米TiO₂的活性炭纤维布不受外环境造成的结构性损坏；

（2）第二层：表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布除了继续过滤阻尘的作用外，也可利用活性炭纤维布巨大的比表面积吸附有机物，所负载的纳米TiO₂在紫外线参与下，利用光催化氧化作用产生的·OH，将所吸入气体中的细菌病毒杀灭、有机物氧化分解；

（3）第三层：活性炭过滤层，除了继续过滤细小粉尘外，主要利用巨大的比表面积对前面分解的有机物或透过前面两层材料的有机物进行吸附，起到净化吸入气体的作用；

（4）第四层：过滤布，继续过滤吸入气体中的细小颗粒物，同时对前面的活性炭层在结构上起到固定作用，防止万一活性炭层泄漏产生新的粉尘污染；

（5）最里层：无纺布，继续过滤吸入气体中的细小颗粒物，净化吸入气体，维护口罩结构并与皮肤直接接触。

本发明的有益效果为：

（1）本发明所使用的原料易得，结构简单，制备方便，生产成本较低；

（2）本发明使用的活性炭纤维布具有较大的比表面积，单位重量对污染物的吸附能力较强；且单位重量的纤维布负载的纳米TiO₂量也比一般载体要大，本发明利用活性炭纤维布的高吸附和过滤性能，将废气中的有机物和细菌病毒等吸附、拦截在纤维布表面，然后在纳米TiO₂的光催化氧化作用下降解有机物、杀灭细菌病毒；

（3）本发明以粉体烧结法和偶联法相结合，将纳米TiO₂于环氧树脂/丙酮溶液中充分浸渍后烘干，与常规粉体烧结法相比具有纳米TiO₂层黏结度高、牢固性好、负载均匀等优点；

（4）由于添加了Fe³⁺和UV-P，将激发光的波长范围从387nm以下扩大到可见光区（约600nm），有效的促进了光催化反应；提高纳米TiO₂对太阳能的利用率，增加光催化反应的效率；从而整体提高了负载纳米TiO₂的活性炭纤维布对有机物的去除和对细菌病毒的杀灭效率；

（5）本发明公布的防雾霾口罩由5层材料组成，在注重过滤阻尘和去除有机污染、杀灭细菌病毒的同时，呼吸透气性好，佩戴感舒适。

附图说明

图1是本发明防雾霾口罩的外型示意图。

图2是本发明防雾霾口罩的结构示意图。

其中的附图标记为：口罩主体1、薄型无纺布层11、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布层12、活性炭过滤层13、过滤布层14、内层无纺布层15、鼻夹2、固定带3。

具体实施方式

本发明以“负载纳米TiO₂的活性炭纤维布+活性炭层”为主体功能材料，与普通防尘口罩相比，除了具有同样的过滤阻尘功能外，活性炭纤维布表面负载的纳米TiO₂在阳光（紫外线）照射下可激发光催化反应，将所吸入气体中的有机污染物分解、细菌病毒杀灭；经过光催化分解后的气体依次经过活性炭过滤层和过滤布的净化，进一步去除细小颗粒物和有机污染物，从而达到更好地净化所吸入气体的目的。

目前研究最多的光催化材料为金属氧化物和硫族化物如TiO₂、ZnO、CdS、WO₃、SnO₂等，其中以TiO₂最为常用，应用最多的锐钛型TiO₂在pH值为1时带隙为3.2eV，光催化所需入射光的最大波长为387nm。研究表明：在锐钛型TiO₂和金红石型TiO₂混合比例约75:25时，纳米TiO₂的光催化氧化能力最强。

从光催化的反应历程来看，通过光激发后，纳米TiO₂产生高活性光生空穴和光生电子，形成氧化-还原体系，经一系列可能的反应后产生大量的高活性自由基，在众多自由基中，·OH是主要的自由基；光催化时纳米TiO₂表面的羟基化，是光催化反应的必要条件。光催化产生的·OH自由基，是有水分子存在时氧化剂中反应活性最强的，而且对作用物几乎没有选择性。本发明利用纳米TiO₂在紫外线作用下的光催化作用，在有水粉存在下降解所吸入气体中的有机物、杀灭细菌病毒。

光催化机理可表示如下：

TiO₂+hv → h⁺+e^-

h⁺+H₂O→H⁺+·OH

h⁺+ OH^-→·OH

2HO₂˙→O₂+H₂O₂

H₂O₂+O₂ ^-→OH^-+·OH+O₂

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1：

（1）纳米TiO₂负载在活性炭纤维布活性炭纤维布上的方法，其步骤为：

（a）预处理：将活性炭纤维布在质量比8%的双氧水中浸泡1h后，用去离子水冲洗5次，充氮在100℃下干燥3.5h待用；

（b）溶液制备：将环氧树脂10g溶解于1L丙酮中，搅拌并依次加入20g市售纳米TiO₂（德固赛P25），2gUV-P和1g纳米Fe₂O₃；

（c）浸渍烘干：将活性炭纤维布放入溶液中浸渍30min，在氮气气氛下，于100℃烘干0.5h，然后升温到350℃烘干4.0h，得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布；

（2）口罩制作方法：

（a）层叠：依次将薄型无纺布、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布、活性炭过滤层、过滤布和无纺布从上到下叠放在一起；

（b）裁切：按照所需规格大小和外型（杯罩式和折叠式）裁切；

（c）成型：加装固定带、鼻夹等部件后热压成型。

实施例2：

纳米TiO₂负载在活性炭纤维布活性炭纤维布上的方法，其步骤为：

（a）预处理：将活性炭纤维布在质量比10%的双氧水中浸泡1h后，用去离子水冲洗5次，充氮在120℃下干燥2.5h待用；

（b）溶液制备：将环氧树脂20g溶解于1L丙酮中，搅拌并依次加入35g市售纳米TiO₂（德固赛P25），3.5gUVP和2g纳米Fe₂O₃；

（c）浸渍烘干：将活性炭纤维布放入溶液中浸渍45min，在氮气气氛下，于120℃烘干0.5h；然后升温到450℃烘干1.5h得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布。

口罩制作方法与实施例1相同。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有防雾霾功能的口罩的制备方法，其中，具有防雾霾功能的口罩包括口罩主体(1)，其特征是：所述的口罩主体(1)为由外至内依次叠设的五层结构：薄型无纺布层(11)、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布层(12)、活性炭过滤层(13)、过滤布层(14)和内层无纺布层(15)，紫外线能透过薄型无纺布层(11)照射在表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布层(12)上；具有防雾霾功能的口罩的制备方法，包括以下步骤：

一、制备负载纳米TiO₂的活性炭纤维布，其步骤为：

（1）预处理：将活性炭纤维布在双氧水中浸泡后用去离子水冲洗，真空干燥后待用；

（2）溶液制备：将环氧树脂溶解于丙酮中，搅拌并依次加入纳米TiO₂，UV-P和纳米Fe₂O₃；

（3）浸渍烘干：将活性炭纤维布放入溶液中浸渍，在氮气气氛下烘干，即可得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布；

二、制备口罩，其步骤为：

（1）层叠：依次将薄型无纺布、表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布、活性炭过滤层、过滤布和无纺布从外到内叠放在一起；

（2）裁切：按照所需规格大小和外型裁切；

（3）成型：加装固定带(3)、鼻夹(2)后热压成型，得到具有防雾霾功能的口罩；

步骤一（1）预处理所用双氧水质量比8~10%；浸泡时间为1~2h，用去离子水冲洗5次后真空干燥，温度在100~120℃，干燥时长2~4h；步骤一（2）中所用环氧树脂的环氧值0.25~0.45；每1L丙酮中溶解环氧树脂10~20g，纳米TiO215~40g，丙酮中溶解的纳米TiO2、UV-P和Fe3+的质量比为：100:10~50:5~10；所述的口罩主体(1)的外侧中部设置有鼻夹(2)，口罩主体(1)的两侧设置有固定带(3)；所述的鼻夹(2)为柔性塑料鼻夹；口罩为杯罩式口罩或折叠式口罩；步骤一中所用活性碳纤维布为酚醛基纤维、PAN基纤维、黏胶基纤维中的一种或几种经高温炭化而成；步骤一（3）中将活性炭纤维布放入溶液中浸渍15~60min，在氮气气氛下，于100~120℃烘干0.5h去除活性炭纤维布表面的有机溶剂并使环氧树脂固化；然后升温到350~450℃烘干1.5~4.0h，使活性炭纤维布表面残存的少量有机物进一步烧结去除，即可得到表面负载纳米TiO₂的活性炭纤维布。

2.根据权利要求1所述的具有防雾霾功能的口罩的制备方法，其特征是：所述的活性炭纤维布的比表面积在1200~2500m².g^-1，厚度0.3~1mm，克重10~20 g. m^-2。