CN105771112B - 一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器及其制备方法，包括排风系统和碳纤维抑菌过滤层，排风系统包括风扇、控制系统、电源、湿度传感器和气流量传感器，控制系统和电源分别与风扇连接，湿度传感器和气流量传感器均与控制系统连接；所述碳纤维抑菌过滤层设置于风扇的排风面；碳纤维抑菌过滤层从内到外依次包括有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层和有机纤维无纺布层。通过碳纤维水分吸附层和碳纤维颗粒过滤层将口罩内存在的微量有害颗粒物以及人体呼出的水汽进行二次过滤吸附；该碳纤维智能通风器可保证人体在不同防雾霾口罩内呼吸环境下的佩戴舒适性。

Description

一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器及其制备方法。
背景技术
雾霾天气对人类健康造成了严重危害。第一，雾霾现象使得空气中存在大量微小颗粒或液滴等有害物质，一旦吸入体内就会刺激并破坏呼吸道黏膜，对鼻腔、口腔、肺部等造成严重损伤。第二，雾霾导致室外能见度降低，交通堵塞及事故频发。第三，影响城市人群的心理健康。雾霾气候会造成人群的情绪悲观，影响心态及生活质量。
目前，为了有效降低雾霾对人类生活的危害，各种不同结构的以过滤为主要功能的口罩层出不穷，这些口罩往往使用多层过滤结构，而过滤结构随着叠层结构的增加也带来了呼吸气体的阻力较大，因此为了提高防尘或防雾霾口罩的呼吸舒适性，市场上出现了设置呼吸阀的防雾霾口罩，这种呼吸阀采用单向排气结构设置，在人体吸气时关闭、用户呼气时打开，方便呼出气体的排出。然而这种单向排气呼吸阀的应用也存在诸多问题。首先，呼吸阀的开合以人体自然呼吸气体流量为驱动，要保证呼吸阀的正常工作人体需要更大的呼吸节奏和动力，这自然带来很大的不舒适性；第二，人体呼出气体中大多是以二氧化碳为主的湿度较大气体，虽然湿度气体可通过呼吸阀排除口罩外，但随着口罩的长时间使用，罩体内贴近口鼻的湿度必然大于外界湿度，也会给人体接触部位带来不适；第三，带有过滤功能的口罩与面部接触必然存在缝隙，直接呼吸引入的雾霾有害颗粒物可以被有效过滤，但通过面部贴合间隙进入口罩内的微小颗粒物却很难排除口罩外，长期存在于口罩内的微小颗粒物一般不能通过单向呼吸阀排出，长期蓄积必然会对口罩表面及人体造成伤害。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器，包括排风系统和碳纤维抑菌过滤层，排风系统包括风扇、控制系统、电源、湿度传感器和气流量传感器，控制系统和电源分别与风扇连接，湿度传感器和气流量传感器均与控制系统连接，根据湿度传感器的湿度信号和气流量传感器的气体流量信号，调整风扇的转速；
所述碳纤维抑菌过滤层设置于风扇的排风面；碳纤维抑菌过滤层从内到外依次包括有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层和有机纤维无纺布层，碳纤维抑菌过滤层采用热压合方式熔融粘合形成整体。
有机无纺布层位于整个叠层结构的表面用于阻挡大颗粒污染和保证整个抑菌过滤层的热压合结构整体，碳纤维颗粒过滤层用于吸附呼吸空气中的粉尘污染物，碳纤维水分吸附层用于吸附呼吸空气中的潮湿水分保证干燥，抑菌层用于过滤吸附有害细菌。
该通风器设有带抑菌功能的碳纤维多层超吸附过滤层和智能微型风扇，通过湿度、气流量感应装置实时检测口罩内的气体湿度变化和呼吸气体流量变化以用于调整微型风扇转速，保证口罩内人体呼出的二氧化碳顺利排出，同时通过多层碳纤维过滤吸附层对呼出气体的水分进行吸附，以保证口罩内湿度稳定，此外碳纤维过滤层带有抑菌功能可有效保证口罩内部的健康呼吸环境。该碳纤维智能通风器可保证人体在不同防雾霾口罩内呼吸环境下的佩戴舒适性，可有效取代防雾霾口罩的呼吸阀等换气装置。
由于碳纤维抑菌过滤层的最内层和最外层均为有机纤维无纺布层，在较高温度下会发生熔融，在加压合作用下，最内层和最外层之间发生粘合，粘结为一个整体，使得各层之间更加贴合、致密，提高了碳纤维抑菌过滤层的质感和过滤效果。
优选的，碳纤维抑菌过滤层紧密贴合在风扇的排风侧。
进一步优选的，所述风扇的排风侧贴合风扇设置有卡槽，所述碳纤维抑菌过滤层固定在卡槽内。
优选的，所述电源为电池和USB接口，USB接口与电池连接。
电源可实现USB接口和电池供电的双重供电特性，以保证风扇的长时间正常运转。
优选的，所述湿度传感器和气流量传感器贴敷在碳纤维抑菌过滤层的最内层。
优选的，所述有机纤维无纺布层所用的有机纤维长丝为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯中的任意一种，所述有机纤维无纺布层的面密度为30-400g/m2。
优选的，所述碳纤维颗粒过滤层为活性短切碳纤维毡，其厚度为1-5mm，面密度为60-400g/m2，比表面积为1000-2000m2/g。
优选的，所述碳纤维水分过滤层为活性短切碳纤维毡，其厚度为1-8mm，面密度为60-200g/m2，比表面积为500-2000m2/g。
优选的，所述碳纤维抑菌层为活性短切纤维毡吸附抑菌剂制备而成，其厚度为0.5-4mm，面密度为60-300g/m2，比表面积为1000-2000m2/g，吸附的抑菌剂占碳纤维抑菌层的质量分数为1-20％。
进一步优选的，所述抑菌剂为纳米银系或季铵盐中的一种或多种。
上述超滤超吸附碳纤维通风过滤器的制备方法，包括如下步骤：
1)碳纤维抑菌过滤层的制备方法
分别制备有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层以及碳纤维抑菌层，碳纤维抑菌层的制备方法，包括如下步骤：将活性碳纤维毡置于抑菌剂环境中吸附5-20min，将处理后的碳纤维抑菌层置于50-80℃下，干燥10-20min，吸附的抑菌剂占碳纤维抑菌过滤层的质量分数为1-20％；
按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层以及有机纤维无纺布层”的顺序进行叠加，然后进行热压，热压温度为80-260℃，热压压力为0.1-1MPa，得到碳纤维抑菌过滤层；
2)将风扇进行固定，并将步骤1)中得到的碳纤维抑菌过滤层贴合固定在风扇的出风口；
3)将湿度传感器和气体流量传感器进行固定，并将电源和控制系统进行固定；
4)将湿度传感器和气体流量传感器与控制系统连接，将控制系统和电源与风扇连接；
以上步骤在不影响制备的基础上，可互换。
一种碳纤维通风过滤口罩，包括口罩本体和在口罩本体两侧对称分布的耳带，口罩本体的内部设置所述通风过滤器的结构，风扇壳背向人体口部的一侧为出风口，朝向人体口部的一侧设置有盖板，所述盖板上分布有通风孔。
优选的，所述盖板的中部向风扇壳内凹陷。
盖板的形状可以适应于人的嘴部的形状，呼吸产生的气体直接吹入风扇，并通过风扇吹出，避免了呼出的气体散向口罩的其他位置，造成口罩其他位置的湿度过高。
湿度传感器和气体流量传感器，通过感应芯片贴敷在碳纤维抑菌过滤吸附层靠紧口罩内表面的一侧，以实时监控口罩内的人体呼吸环境的湿度和换气量。该感应装置与微型风扇供电装置连接，通过湿度和换气量的感应变化数据调整微型风扇的转速，其中湿度保证在45％-65％范围内可调。
本发明的有益技术效果为：
本发明的碳纤维通风过滤器可用于制备防雾霾智能口罩，根据湿度传感器和气流量传感器调整微型风扇转速，以便与口罩内人体呼吸节奏相匹配，保证人体呼出的二氧化碳及时排出口罩外，同时也不会导致将过量的气体外排，保证了使用者呼吸的通畅度；
通过碳纤维水分吸附层和碳纤维颗粒过滤层将口罩内存在的微量有害颗粒物以及人体呼出的水汽进行二次过滤吸附，有效防止了口罩内局部湿度过大导致的不适感和口罩内积累的有害颗粒对人体造成的伤害；该碳纤维智能通风器可保证人体在不同防雾霾口罩内呼吸环境下的佩戴舒适性，利用本发明可有效取代防雾霾口罩的呼吸阀等换气装置。
附图说明
图1是本发明的通风过滤器的整体结构示意图；
图2是本发明的碳纤维抑菌过滤层的结构示意图。
其中，1、碳纤维抑菌过滤层，2、风扇，3、卡槽，4、电源，5、纽扣电池，6、USB接口，7、湿度传感器，8、气流量传感器，9、导线；
1-1、有机纤维无纺布层，1-2、碳纤维颗粒过滤层，1-3、碳纤维水分吸附层，1-4、碳纤维抑菌层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器，包括排风系统和碳纤维抑菌过滤层1，排风系统包括风扇2、控制系统、电源4、湿度传感器7和气流量传感器8，控制系统和电源4分别与风扇4连接，湿度传感器7和气流量传感器8均与控制系统连接，根据湿度传感器7的湿度信号和气流量传感器8的气体流量信号，调整风扇2的转速；
碳纤维抑菌过滤层1设置于风扇2的排风面；如图2所示，碳纤维抑菌过滤层1从内到外依次包括有机纤维无纺布层1-1、碳纤维颗粒过滤层1-2、碳纤维水分吸附层1-3、碳纤维抑菌层1-4和有机纤维无纺布层1-1，碳纤维抑菌过滤1层采用热压合方式熔融粘合形成整体。
风扇2的排风侧贴合风扇设置有卡槽3，碳纤维抑菌过滤层1固定在卡槽3内。
电源4包括纽扣电池5和USB接口6，USB接口6与纽扣电池5连接。纽扣电池5只是其中的一种电池，其他的电池种类只要满足使用要求也是可以的。
湿度传感器7和气流量传感器8贴敷在碳纤维抑菌过滤层1的最内层，可以随时监控口罩内的湿度和气体流量。
该通风过滤器也可以用于制备口罩，口罩包括口罩本体和在口罩本体两侧对称分布的耳带，口罩本体的内部设置所述通风过滤器的结构，风扇壳背向人体口部的一侧为出风口，朝向人体口部的一侧设置有盖板，盖板的中部向风扇壳内凹陷，以适应人类的嘴的形状，所述盖板上分布有通风孔。
实施例1
一种超滤超吸附碳纤维通风器的制备包括如下步骤：
第一，碳纤维超强吸附抑菌过滤层的制备。采用面密度30-400g/m2的聚乙烯热塑性纤维制备有机纤维无纺布层；采用厚度1mm、面密度60g/m2、比表面积1000m2/g的活性短切碳纤维毡作为颗粒过滤层；采用厚度2mm、面密度70g/m2、比表面积800m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维水分过滤层；采用厚度0.5mm、面密度90g/m2、比表面积1300m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维抑菌层基体材料，采用纳米银作为抑菌处理剂，将活性碳纤维毡基体置于抑菌剂环境中预吸附5分钟，将吸附处理后的碳纤维抑菌层于50℃温度下，干燥10分钟，最终抑菌剂的吸附浓度(以碳纤维抑菌层重量比计)为1％，最终碳纤维抑菌层的厚度为0.5mm之间灵活调整，面密度为76g/m2；按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层、有机纤维无纺布层”的顺序，将有机纤维无纺布与其它功能吸附层熔融热压合，热熔温度为150℃，压合压力在0.7MPa。
第二，采用直径为3cm的微型风扇，在风扇排风侧配有长宽为3×3.5cm的过滤层卡槽，卡槽配合3×3.5cm的插片框架，将上述多层叠合的碳纤维抑菌吸附过滤层固定在插片框架内，将插片插于微型卡槽内。
第三，在碳纤维抑菌吸附层相对的风扇另一侧安装纽扣电池供电与USB供电装置，其中纽扣电池采用3.6V可充锂离子扣式电池供电。
第四，采用2×2mm芯片式湿度感应装置和1×1mm气体流量感应装置贴敷于碳纤维抑菌过滤吸附层靠紧口罩内表面的一侧，以实时监控口罩内的人体呼吸环境的湿度和换气量，保证湿度在45％-50％范围。
最终制备的超滤超吸附碳纤维通风器装配于普通防雾霾口罩可保证口罩内API指数(空气质量指数)有效控制在20以下。
实施例2
一种超滤超吸附碳纤维通风器的制备包括如下步骤：
第一，碳纤维超强吸附抑菌过滤层的制备。采用面密度85g/m2的聚丙烯热塑性纤维制备有机纤维无纺布层；采用厚度2mm、面密度100g/m2、比表面积1300m2/g的活性短切碳纤维毡作为颗粒过滤层；采用厚度1mm、面密度110g/m2、比表面积800m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维水分过滤层；采用厚度0.9mm、面密度90g/m2、比表面积1800m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维抑菌层基体材料，采用季铵盐作为抑菌处理剂，将活性碳纤维毡基体置于抑菌剂环境中预吸附12分钟，将吸附处理后的碳纤维抑菌层于80℃温度下，干燥20分钟，最终抑菌剂的吸附浓度(以碳纤维抑菌层重量比计)为12％，最终碳纤维抑菌层的厚度为0.9mm之间灵活调整，面密度为150g/m2；按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层、有机纤维无纺布层”的顺序，将有机纤维无纺布与其它功能吸附层熔融热压合，热熔温度为230℃，压合压力在0.9MPa。
第二，采用直径为2cm的微型风扇，在风扇排风侧配有长宽为2×2.5cm的过滤层卡槽，卡槽配合2×2.5cm的插片框架，将上述多层叠合的碳纤维抑菌吸附过滤层固定在插片框架内，将插片插于微型卡槽内。
第三，在碳纤维抑菌吸附层相对的风扇另一侧安装纽扣电池供电与USB供电装置，其中纽扣电池采用3V可充锂离子扣式电池供电。
第四，采用1×1mm芯片式湿度感应装置和1.5×1.5mm气体流量感应装置贴敷于碳纤维抑菌过滤吸附层靠紧口罩内表面的一侧，以实时监控口罩内的人体呼吸环境的湿度和换气量，保证湿度在48％-50％范围。
最终制备的超滤超吸附碳纤维通风器装配于普通防雾霾口罩可保证口罩内API指数(空气质量指数)有效控制在12以下。
实施例3
一种超滤超吸附碳纤维通风器的制备包括如下步骤：
第一，碳纤维超强吸附抑菌过滤层的制备。采用面密度230g/m2的聚氨酯热塑性纤维制备有机纤维无纺布层；采用厚度3mm、面密度330g/m2、比表面积1400m2/g的活性短切碳纤维毡作为颗粒过滤层；采用厚度1mm、面密度65g/m2、比表面积500m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维水分过滤层；采用厚度0.7mm、面密度770g/m2、比表面积1500m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维抑菌层基体材料，采用纳米银作为抑菌处理剂，将活性碳纤维毡基体置于抑菌剂环境中预吸附8分钟，将吸附处理后的碳纤维抑菌层于70℃温度下，干燥10分钟，最终抑菌剂的吸附浓度(以碳纤维抑菌层重量比计)为6％，最终碳纤维抑菌层的厚度为0.5mm之间灵活调整，面密度为180g/m2；按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层、有机纤维无纺布层”的顺序，将有机纤维无纺布与其它功能吸附层熔融热压合，热熔温度为180℃，压合压力在0.9MPa。
第二，采用直径为2.5cm的微型风扇，在风扇排风侧配有长宽为2.5×3cm的过滤层卡槽，卡槽配合2.5×3cm的插片框架，将上述多层叠合的碳纤维抑菌吸附过滤层固定在插片框架内，将插片插于微型卡槽内。
第三，在碳纤维抑菌吸附层相对的风扇另一侧安装纽扣电池供电与USB供电装置，其中纽扣电池采用1.5V可充锂离子扣式电池供电。
第四，采用1.2×1.2mm芯片式湿度感应装置和1.5×1.5mm气体流量感应装置贴敷于碳纤维抑菌过滤吸附层靠紧口罩内表面的一侧，以实时监控口罩内的人体呼吸环境的湿度和换气量，保证湿度在48％-60％范围。
最终制备的超滤超吸附碳纤维通风器装配于普通防雾霾口罩可保证口罩内API指数(空气质量指数)有效控制在11以下。
实施例4
一种超滤超吸附碳纤维通风器的制备包括如下步骤：
第一，碳纤维超强吸附抑菌过滤层的制备。采用面密度400g/m2的聚乙烯热塑性纤维制备有机纤维无纺布层；采用厚度2mm、面密度240g/m2、比表面积1600m2/g的活性短切碳纤维毡作为颗粒过滤层；采用厚度3mm、面密度140g/m2、比表面积700m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维水分过滤层；采用厚度0.4mm、面密度80g/m2、比表面积1700m2/g的活性短切碳纤维毡作为碳纤维抑菌层基体材料，采用季铵盐作为抑菌处理剂，将活性碳纤维毡基体置于抑菌剂环境中预吸附19分钟，将吸附处理后的碳纤维抑菌层于77℃温度下，干燥16分钟，最终抑菌剂的吸附浓度(以碳纤维抑菌层重量比计)为16％，最终碳纤维抑菌层的厚度为0.9mm之间灵活调整，面密度为300g/m2；按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层、有机纤维无纺布层”的顺序，将有机纤维无纺布与其它功能吸附层熔融热压合，热熔温度为160℃，压合压力在0.8MPa。
第二，采用直径为2.2cm的微型风扇，在风扇排风侧配有长宽为2.5×2.5cm的过滤层卡槽，卡槽配合2.5×2.5cm的插片框架，将上述多层叠合的碳纤维抑菌吸附过滤层固定在插片框架内，将插片插于微型卡槽内。
第三，在碳纤维抑菌吸附层相对的风扇另一侧安装纽扣电池供电与USB供电装置，其中纽扣电池采用1.5V碱性锌锰扣式电池供电。
第四，采用1.2×1.2mm芯片式湿度感应装置和1.2×1.2mm气体流量感应装置贴敷于碳纤维抑菌过滤吸附层靠紧口罩内表面的一侧，以实时监控口罩内的人体呼吸环境的湿度和换气量，保证湿度在55％-60％范围。
最终制备的超滤超吸附碳纤维通风器装配于普通防雾霾口罩可保证口罩内API指数(空气质量指数)有效控制在10以下。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超滤超吸附碳纤维通风过滤器，其特征在于：包括排风系统和碳纤维抑菌过滤层，排风系统包括风扇、控制系统、电源、湿度传感器和气流量传感器，控制系统和电源分别与风扇连接，湿度传感器和气流量传感器均与控制系统连接，根据湿度传感器的湿度信号和气流量传感器的气体流量信号，调整风扇的转速；
所述碳纤维抑菌过滤层设置于风扇的排风面；碳纤维抑菌过滤层从内到外依次包括有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层和有机纤维无纺布层，碳纤维抑菌过滤层采用热压合方式熔融粘合形成整体；
碳纤维抑菌过滤层紧密贴合在风扇的排风侧；
所述风扇的排风侧贴合风扇设置有卡槽，所述碳纤维抑菌过滤层固定在卡槽内。
2.根据权利要求1所述的通风过滤器，其特征在于：所述湿度传感器和气流量传感器贴敷在碳纤维抑菌过滤层的最内层。
3.根据权利要求1所述的通风过滤器，其特征在于：所述有机纤维无纺布层所用的有机纤维长丝为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯中的任意一种，所述有机纤维无纺布层的面密度为30-400g/m2。
4.根据权利要求1所述的通风过滤器，其特征在于：所述碳纤维颗粒过滤层为活性短切碳纤维毡，其厚度为1-5mm，面密度为60-400g/m2，比表面积为1000-2000m2/g。
5.根据权利要求1所述的通风过滤器，其特征在于：所述碳纤维水分吸附层为活性短切碳纤维毡，其厚度为1-8mm，面密度为60-200g/m2，比表面积为500-2000m2/g。
6.根据权利要求1所述的通风过滤器，其特征在于：所述碳纤维抑菌层为活性短切纤维毡吸附抑菌剂制备而成，其厚度为0.5-4mm，面密度为60-300g/m2，比表面积为1000-2000m2/g，抑菌剂占碳纤维抑菌层的质量分数为1-20％。
7.根据权利要求6所述的通风过滤器，其特征在于：所述抑菌剂为纳米银系或季铵盐中的一种或多种。
8.权利要求1-7任一所述超滤超吸附碳纤维通风过滤器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)碳纤维抑菌过滤层的制备方法
分别制备有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层以及碳纤维抑菌层，碳纤维抑菌层的制备方法，包括如下步骤：将活性碳纤维毡置于抑菌剂环境中吸附5-20min，将处理后的碳纤维抑菌层置于50-80℃下，干燥10-20min，得到的吸附的抑菌剂占碳纤维抑菌过滤层的质量分数为1-20％；
按照“有机纤维无纺布层、碳纤维颗粒过滤层、碳纤维水分吸附层、碳纤维抑菌层以及有机纤维无纺布层”的顺序进行叠加，然后进行热压，热压温度为80-260℃，热压压力为0.1-1MPa，得到碳纤维抑菌过滤层；
2)将风扇进行固定，并将步骤1)中得到的碳纤维抑菌过滤层贴合固定在风扇的出风口；
3)将湿度传感器和气体流量传感器进行固定，并将电源和控制系统进行固定；
4)将湿度传感器和气体流量传感器与控制系统连接，将控制系统和电源与风扇连接；
以上步骤在不影响制备的基础上，可互换。
9.一种碳纤维通风过滤口罩，其特征在于：包括口罩本体和在口罩本体两侧对称分布的耳带，口罩本体的内部设置权利要求1-7任一所述的通风过滤器的结构，风扇壳背向人体口部的一侧为出风口，朝向人体口部的一侧设置有盖板，所述盖板上分布有通风孔；
所述盖板的中部向风扇壳内凹陷。
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