CN106136374A - 一种具有污染程度防护效果自监测功能的口罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有防护效果测量显示功能的过滤口罩，口罩呼吸阀内有呼吸振动摩擦产电和元件电路板，呼气气流产电供给口罩本体测量过滤程度的电极，口罩本体嵌有过滤棉及活性炭滤层，导电活性炭作为传感电极引出连接线，将电阻或电压信号供给有防护效果指示的显示器件，本发明口罩能在佩戴时自供电实时监控当前口罩的污染程度，并显示出相应的口罩防护性能，本发明自供电驱动，不需使用电池，是一种具有口罩防护效果测量显示功能的过滤口罩，进行定性或半定量指示当前使用程度或防护效果，可以实时监控当前口罩的污染防护程度，并显示出相应的指示，帮助判断是否需要更换佩戴口罩，使用方便。

Description

一种具有污染程度防护效果自监测功能的口罩

技术领域

本发明涉及大气污染的人体健康防护技术领域，具体说涉及一种具有自动测量本身的污染程度和防护效果并具有显示功能的口罩。

背景技术

随着随着我国工业化和城市化进程的加快，机动车和燃煤排放大量的细颗粒污染物，以及产生的气溶胶和硫酸盐、硝酸盐等二次污染物使得大气污染问题的形势日益严重。雾霾等高污染空气天数越来越多，特别是在京津冀等地区的北方，PM2.5污染和雾霾等大气污染成为重要的环境问题。空气污染造成了严重的环境危害；由此引发的环境污染风险和对人类健康的危害已经不仅成为制约经济社会可持续发展的瓶颈，更成为影响居民健康的重要因素。

目前，空气污染问题形成在国内涉及工业居民生活运输等多方面的问题，人们通过佩戴防护口罩来缓解雾霾的影响，目前的口罩销售量很大，使用频率也较高，但是目前的口罩基本上是基于过滤技术的静电滤棉口罩或活性炭滤层口罩，随着对污染物的被动吸附，本身的防护净化效果随着使用将逐步降低。虽然当地的空气污染情况人们可以保护通过手机网络电势等各种渠道了解，但人们不清楚自己佩戴的口罩污染情况到底怎样，是否需要更换佩戴的口罩成为让人纠结的问题。目前佩戴的口罩均不具备定性或定量测量当前的自身污染程度的能力，也就不能提供其防护效果衰减变化程度的指示信息。

很多人总有这样的疑问，不知道自己或给孩子戴的一次性防霾口罩应该多久更换，因为不能实时提示口罩佩戴是否依然有效的问题，虽然有的口罩设计成互联网的APP在线当地监测空气质量的模式，但是只能显示周围的空气污染程度，不能对口罩的使用和更换提出直接依据，同时这在基于污染浓度的监测高昂成本及应用的方便性上存在不足。

综上所示，目前PM2.5和雾霾问题的突出环境问题下，大量防霾口罩的使用急需发展技术先进，成本较低的具有使用防护效果监测的口罩。研发可发能够成本较低，可连续监测，成本低廉，具有防护效果监测的口罩是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种具有自动指示口罩使用程度和防护效果显示功能的过滤口罩，该口罩可以自供电实时测量当前口罩的污染程度，并显示出相应的口罩防护效果的定性或半定量指示，帮助判断是否需要更换佩戴的口罩，同时正常情况下产生的静电具有强化口罩过滤效果。

目前防尘口罩本体多采用熔喷材质，为静电过滤滤棉(HEPA棉)或活性炭纤维毡过滤层，比如五层静电活性炭滤片防雾霾和PM2.5，市场上常见的防尘口罩，其过滤材料都为熔喷无纺布材料，材质多为聚丙烯，通常都称为PP熔喷布，是一种超细静电纤维布。而现在的雾霾和PM2.5多为气溶胶等颗粒，其成分为汽车尾气和燃煤排放的黑炭何沙尘等，其中大部分为导电颗粒，特别是当雾霾产生时，其很多为二次气溶胶形成的空气污染化合物，如硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和黑炭等。由于微小颗粒本身带静电，因此这些气溶胶吸附到口罩静电活性炭滤片后将改变过滤片本身的静电值大小和导电电阻，本发明是基于对防霉口罩本身吸附空气污染气溶胶之后的滤层(滤棉)表面电阻值或静电电压的变化，根据变化定性或半定量判定口罩吸附污染物程度进而确定是否需要更换。

本发明所述能指示使用程度和防护效果的口罩，其特征为提供一种具有显示功能和呼吸摩擦产电功能的呼吸阀，应用于过滤口罩上，呼吸阀呼气出风口处具有摩擦产电功能，其可以依托呼气气流摩擦供能，通过排线和电路板电性连接，控制电路将摩擦产生的电流整流后供给口罩本体防护效果的电阻传感器，所述导电活性炭材料作为口罩本体污染程度的探测电极通过连接导线与呼吸阀上的测量与显示控制电路连接，所述测量与显示控制电路同时与所述污染程度显示屏和呼吸摩擦发电器件电性连接。依托呼吸摩擦供能，监测口罩滤层(滤棉)的防护情况，在正常工作条件下，本发明所述呼吸气流摩擦产生静电电荷传导施加于滤棉两侧，通过静电增强口罩过滤滤棉的吸附过滤除尘效果。当口罩被逐渐穿透失去防护性能时，位于呼吸阀上部的防护效果显示装置的定性或半定量逐步指示变弱消失，当每次呼吸不能再使得防护功能指示装置有效显示时，说明口罩的当前条件下的防护效果不足本身需要更换。

本发明所述的具有自监测防护效果功能的口罩，其呼吸阀上还设置有测量与显示控制电路、污染程度显示模块和呼吸摩擦发电模块，呼吸阀出风口具有摩擦产电功能，控制电路将摩擦产生的电流整流后供给口罩本体测量防护效果的电阻或电压传感器，并根据反馈信号控制防护效果指示屏的显示，呼吸阀电路板上设置有污染程度显示模块有LCD或LED，其中LCD为黑白液晶显示屏，LED显示灯可以采用绿色、蓝色或红色等。

本发明所述的具有自监测防护效果功能的口罩，其传感器信号测量特征包括对于具有不导电的过滤滤棉和两层活性炭滤层，通过测量在过滤滤棉两侧的活性炭导电滤层间的电阻或电压；对于具有不导电的过滤滤棉和一层活性炭滤层的口罩本体，活性炭滤层位于过滤滤棉滤层外侧的，通过测量导电活性炭滤层和口罩本体接触皮肤的电阻或电压，而活性炭滤层位于不导电过滤滤棉内侧的，通过测量穿过口罩外侧本体的铝条与所述活性炭导电滤层之间的电阻或电压；对于只有不导电的过滤滤棉，吸附气溶胶会导致其电阻率降低，通过测量穿过所述口罩本体的铝条与所述口罩本体内接触皮肤的传感器测量电阻或电压。

本发明所述具有摩擦产电及防护效果显示功能的呼吸阀，其特征包括呼吸阀形状可以为矩形、菱形或圆形，出风口位于呼吸阀的下部或四周，出风口内置的截止阀除具有气流的单向截止功能外，还具有呼气时的振动摩擦产电功能，排出气体的正压将柔性阀片吹开，口罩体内废气迅速排除时产生振动，摩擦振动幅度为0.1-5mm，所产静电电流为摩擦接触带电，摩擦带电材料本身具有密封防潮保护膜，防止长期呼吸过程中材料本身因为受潮导致产电变弱或失效。由于阀门本身具有弹性会自动将阀门关闭，而吸气时的负压则增强了密闭性，避免吸进外界环境的污染物。

本发明所述的具有自监测防护效果功能的口罩，其呼吸阀本身结构图如图2所示，当呼吸阀为矩形时，其下部为出气口，上部为显示屏，当呼吸阀为圆形时，其四周为环形出气口，可以分隔为两个、三个或四个等多个出气口，中间为显示屏，显示屏内容可以为文字显示，高度渐增柱状显示、平行等高条形显示、圆环放大显示等不同显示方式。

本发明所述呼吸阀的摩擦产电装置为柔性摩擦电极，其包括导电层与绝缘层，所述导电层可采用铝箔、锡箔、铜箔等薄膜金属材料以及石墨，石墨烯，活性炭，炭黑粉，导电炭黑和添加金属粉体等，厚度为0.02mm～0.5mm；也可以是镍网，铜网，铁丝网等金属丝及其合金丝网，也可以是导电胶带，掺有导电材料的导电布以及镀有金属电极的高分子聚合物等复合材料，厚度为0.1mm～1mm；导电层还以通过磁控溅射镀的铜、镍、铬、银、金、铂等金属薄膜。厚度为0.1～10μm。所述绝缘材料材质可以使用聚乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯，聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈等高分子绝缘材料，也可以选用多种柔性材料，包括：尼龙、涤纶、芳纶、腈纶、丝绸、纯棉、亚麻、纸等各种化纤或天然纤维类柔性材料，绝缘材料厚度为0.01mm～1mm；绝缘材料与导电材料可以通过光刻，热压印等方式增大摩擦接触面积，提高供电效果；材料之间的密封结合，可以通过涂布、胶粘、装订、缝合、热压、固结等不同方式。

本发明所述自供能呼吸防护效果监测口罩，柔性摩擦电极与呼吸阀表面之间的摩擦空隙和电极外部表面为密封防潮保护膜，从而使得装置不受呼吸湿气的影响。因此，该装置具有制作简单，材料价格低廉可以自适应呼吸供能，从而起到长期有效摩擦发电和供能监测口罩滤层电阻的装置。

根据本发明的自动监测指示口罩使用程度和防护效果显示功能的过滤口罩，其与现有防霾口罩相比具有显著的优点，主要包括可以实时显示口罩的防护性能，使用简单，无需按键，只在佩戴呼吸时工作，放置时对口罩本身无影响。自供电驱动，不需要使用电池，同时摩擦发电呼吸阀本身具有密封防潮保护膜，因此不用担心长期放置对口罩供电等性能的影响，同时大大降低了口罩本身的成本。

附图说明

图1示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测口罩原理性示意图；

图2示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测口罩的呼吸阀布置示意图；

图3示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测口罩的第一实施方式的结构关系示意图；

图4示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测口罩的呼吸阀结构示意图；

图5示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测口罩的第二实施方式的结构关系示意图；

图6示出了根据本发明的自供能呼吸防护效果监测供能的杯型口罩外观结构示意图。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图，附图中各部件的标记如下：1、不导电滤棉，2、活性炭滤层，3、口罩无纺布防护层，4、口罩弹力带，5、口罩铝条，6、带显示效果呼吸阀，7、连接导线，8、测量与显示控制电路，9、污染程度显示屏，10、呼吸摩擦发电模块。

具体实施方式

为充分了解本发明的发明目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

本发明装置原理如图1所示，通过呼吸阀的摩擦密封片在呼气过程中摩擦产电，口罩本身的密封性增强了呼气的摩擦产电效果，产生的静电供给过滤层，监测气溶胶的吸附截留量，当过滤层本身依然具有较高防护效果时，LCD显示防护效果，同时给所施加的静电起到增强过滤效果的作用。当过滤层本身已经失效时，产生电流被过滤层本身短路耗散掉，防护效果显示减弱，提醒使用者在当前情况下更换口罩。

具体实施例一

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种具有污染物防护测量显示功能的过滤口罩，包括口罩本体和穿过所述口罩本体的呼吸阀，所述口罩本体内嵌有不导电过滤棉1，其两侧有活性炭滤层2和连接导线7，口罩本体外部两侧通过无纺布防护层3包覆，导电活性炭滤层2通过所述连接导线7与所述呼吸阀电路板电性连接，所述带显示呼吸阀6上设置有污染程度和防护效果显示屏，所述口罩本体上部外设置有口罩铝条5，口罩本体的两侧设置有口罩弹力带4。

优选地，所述外部空气通过所述口罩本体5经所述不导电滤棉1和活性炭滤层2过滤后吸入人体，能有效过滤空气中的细小污染颗粒物，使吸入人体的空气为清洁的空气。

优选地，所述呼吸阀电路板上还设置有测量与显示控制电路8、污染程度显示屏9和呼吸摩擦发电模块10，所述导电活性炭材料作为口罩本体污染程度的探测电极通过连接导线7与呼吸阀上的测量与显示控制电路8连接，所述测量与显示控制电路同时与所述污染程度显示屏9和呼吸摩擦发电模块电性连接。

优选地，所述污染程度和防护效果显示屏为LCD黑白液晶屏，为LED灯。本发明具有自供能呼吸防护效果监测口罩的使用方法如下：

当佩戴口罩之后呼吸过程中，吸气过程中口罩主体过滤吸入空气，空气中的污染物如PM2.5大小的气溶胶被截留过滤到口罩主体内的滤棉和滤层，当呼气过程中口罩内的气流从呼吸阀呼出，呼吸阀内的摩擦垫片通过气流振动产生静电，静电电压在3-10V之间，静电电荷供给口罩主体内的活性炭电极监测，当依然具有防护效果时，口罩上的显示屏动态显示口罩具有防护效果标识，当口罩已经污染，不再具有防护效果时，口罩上的显示屏不再显示防护效果标识。据此使用者根据该显示的动态标识情况决定是否要佩戴口罩。

在本发明另一个实施例中，所述口罩主体上的呼吸阀同样是带有显示功能的呼吸阀，但口罩主体的过滤层主要是如图5所示，只有一个导电活性炭滤层和一个不导电滤棉，其监测电极为铝条和活性炭滤层，其他方面均与之前实施例相同。在本发明一个杯型口罩实施例中，如图6所示，所述呼吸阀为圆形呼吸阀，出风口为环形四周，有效防护效果显示屏在呼吸阀的中间，其他方面均与之前实施例相同。

本发明具有污染物浓度测量显示功能的过滤口罩的有益效果是：可以实时测量当前口罩的污染程度，帮助判断是否需要更换佩戴口罩，同时口罩主体呼气摩擦产静电，增强了口罩过滤细小污染颗粒物的效果，使用方便。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

尽管已经结合特定的实施例描述了本发明，但是并不是限定于此处描述的特定形式。而是，本发明的范围仅仅由后附的权利要求限制。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其它部件或步骤。此外，尽管各个特征可以包括在不同的权利要求中，但是这些特征可以被有利地组合，且在不同权利要求中包含的内容不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。此外，单个的含义不排除多个。此外，权利要求中的附图标记不应被解释为对范围的限制。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有自供电监测防护效果和显示功能的口罩，其特征为口罩呼吸阀内有呼吸振动摩擦产电和元件电路板，自供电驱动，不需使用电池，口罩本体嵌有过滤棉及活性炭滤层，呼气气流产电供给口罩本体的过滤效果电极，导电活性炭作为传感电极引出连接线，通过排线与电路板电性连接，将信号供给有防护效果指示器件，本发明口罩能在佩戴时自供电实时监控当前口罩的污染程度，可以定性或半定量指示当前使用程度或防护效果，并显示出相应的口罩防护性能，帮助使用者判断是否需要更换佩戴的口罩。

2.根据权利要求1所述的具有自供电监测防护效果和显示功能的口罩，其呼吸阀上还设有测量与显示控制电路、污染程度显示模块和呼吸摩擦发电模块；其中呼吸阀呼气出风口处具有摩擦带电材料，其依托呼气气流摩擦产电，控制电路通过连接电路将摩擦产生的电流整流后供给口罩本体防护效果的电阻传感器，呼吸阀电路板上设置有污染程度显示器件有液晶LCD显示屏或LED指示灯，LCD为黑白液晶显示屏，LED为绿色、蓝色或红色等。

3.根据权利要求1-2所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征通过测量穿过所述口罩本体的不导电滤层(滤棉)两端的电阻或电压作为传感信号，吸附PM2.5等气溶胶会导致电阻降低，基于对口罩本身滤膜表面电压和电阻的大小判定口罩吸附污染物程度进而确定防护效果的变化，当口罩已失去防护性能时，呼吸阀上的防护效果指示会逐步消失，说明此时口罩防护性能不足需更换，指示器件无需按键控制，只在佩戴呼吸时工作。

4.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征包括呼吸阀形状可以为矩形、菱形或圆形，出风口位于呼吸阀的下部或四周，出风口内置的截止阀除具有气流的单向截止功能外，还具有呼气时的振动摩擦产电功能，排出气体的正压将阀片吹开，口罩体内废气迅速通过截止阀时产生振动，摩擦振动幅度为0.1-5mm，所产静电电流为摩擦接触带电，截止阀本身具有弹性自动将阀门关闭，而吸气时的负压会增强密闭性，防止吸进外界环境的污染物。

5.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征包括所述口罩根据反馈信号控制防护效果指示屏的显示，当呼吸功能监测防护没有显著下降到阈值时显示屏或灯可正常显示，在正常工作条件下，呼吸气流摩擦产生的静电电荷传导施加于口罩滤层(滤棉)两侧，通过静电增强口罩滤层(滤棉)的吸附过滤除尘效果。

6.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其传感信号特征包括对于具有不导电的过滤滤棉和两层活性炭滤层，通过测量在过滤滤棉两侧的活性炭导电滤层间的电阻或电压；对于具有不导电的过滤滤棉和一层活性炭滤层的口罩本体，活性炭滤层位于过滤滤棉滤层外侧的，通过测量导电活性炭滤层和口罩本体接触皮肤的电阻或电压，而活性炭滤层位于不导电过滤滤棉内侧的，通过测量穿过口罩外侧本体的铝条与所述活性炭导电滤层之间的电阻或电压；对于只有不导电的过滤滤棉，吸附气溶胶会导致其电阻率降低，通过测量穿过所述口罩本体的铝条与所述口罩本体内接触皮肤的传感器测量电阻或电压。

7.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征呼吸阀为矩形时，其下部为出气口，上部为显示屏，当呼吸阀为圆形时，其四周为环形出气口，可以分隔为两个、三个或四个等多个出气口，中间为显示屏，显示屏内容可以为文字显示，高度渐增柱状显示、平行等高条形显示、圆环放大显示等不同显示方式。

8.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征包括呼吸阀的摩擦产电器件为柔性摩擦电极，其包括导电层与绝缘层，所述导电层可采用铝箔、锡箔、铜箔等薄膜金属材料以及石墨，石墨烯，活性炭，炭黑粉，导电炭黑和添加金属粉体等，厚度为0.02mm～0.5mm；也可以是镍网，铜网，铁丝网等金属丝及其合金丝网，也可以是导电胶带，掺有导电材料的导电布以及镀有金属电极的高分子聚合物等复合材料，厚度为0.1mm～1mm；导电层还以通过磁控溅射镀的铜、镍、铬、银、金、铂等金属薄膜，厚度为0.1～10μm。

9.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征包括所述绝缘材料材质可以使用聚乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯，聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈等高分子绝缘材料，也可以选用多种柔性材料，包括：尼龙、涤纶、芳纶、腈纶、丝绸、纯棉、亚麻、纸等各种化纤或天然纤维类柔性材料，绝缘材料厚度为0.01mm～1mm；绝缘材料与导电材料可以通过光刻，热压印等方式增大摩擦接触面积，提高供电效果；材料之间的密封结合，可以通过涂布、胶粘、装订、缝合、热压、固结等不同方式。

10.根据权利要求1-3所述的具有自动监测防护效果口罩，其特征包括口罩的柔性摩擦电极与呼吸阀摩擦材料表面之间的摩擦空隙和电极摩擦表面外部具有密封防潮保护膜，防止长期呼吸过程中材料本身因为受潮导致产电变弱或失效，从而使得装置不受呼吸湿气的影响；同时摩擦发电呼吸阀本身具有密封防潮保护膜，因此不用担心长期放置对口罩供电等性能的影响，可以自适应呼吸供能，从而起到长期有效摩擦发电和供能监测口罩滤层电阻的装置。