CN109572082B - 一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜 - Google Patents

一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，由无纺布、熔喷棉和多孔纳米纤维膜通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布，中间层为熔喷棉，内层为多孔纳米纤维膜；多孔纳米纤维膜由多孔纳米纤维制成，该纳米纤维具有多孔的结构，所述多孔纳米纤维直径为100‑900nm，纳米纤维孔径为50‑400nm，湿度响应性智能杀菌效率在98％‑99.9％。能够有效的提高对雾霾的过滤效率，同时也能降低阻力，具有高效过滤，超低阻力的特点。

Description

一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜
技术领域
本发明涉及一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，涉及环保材料技术领域。
背景技术
近年来，随着我国经济的发展，大气污染、雾霾天气给人们的生活带来了诸多的不便。
传统的口罩材料主要有熔喷纤维、短纤维。这些材料由于纤维直径大，且纤维间孔径大，使得过滤效率低，且阻力比较大。此外，像熔喷棉等对油性粒子过滤差，会出现过滤效率骤降的结果。新型高效低阻且对油性和盐性粒子双重过滤的材料需求强烈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其能对雾霾中的盐性和油性粒子双重过滤，且有过滤效果好、阻力较低、还具有湿度响应性智能杀菌的效果。
为解决这一技术问题，本发明提供了一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，包括无纺布、熔喷棉和多孔纳米纤维膜，所述复合纤维膜由无纺布、熔喷棉和多孔纳米纤维膜通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布，中间层为熔喷棉，内层为多孔纳米纤维膜；所述熔喷棉的厚度在0.5mm-1.5mm之间，多孔纳米纤维膜的厚度在50μm-200μm之间；所述多孔纳米纤维膜由多孔纳米纤维制成；所述多孔纳米纤维直径为100-900nm，纳米纤维孔径为50-400nm，湿度响应性智能杀菌效率在98%-99.9%。
所述多孔纳米纤维直径为500nm，纳米纤维孔径为100nm；所述多孔纳米纤维膜的厚度为100μm，熔喷棉的厚度在1mm。
所述多孔纳米纤维直径为600nm，纳米纤维孔径为120nm；所述多孔纳米纤维膜的厚度为90μm，熔喷棉的厚度在0.8mm。
所述多孔纳米纤维膜的制备方法步骤如下：
（1）将聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）与聚己内酯（PCL）溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，充分搅拌使得充分溶解；
（2）然后将溶解后的溶液分成两份，分别加入柠檬酸和亚氯酸钠搅拌分散均匀，制成两种不同的溶液；再分别在两种不同溶液中加入聚乙烯醇微球。
（3）将上述两种聚合物溶液分别加入到静电纺丝机储液槽内，使两种不同的聚合物溶液同时纺丝，在高湿度的环境下，纤维表面溶剂挥发吸热，水蒸气凝结，形成模板，最终水蒸气挥发，得到相互交错、缠绕的多孔纳米纤维膜。
上述步骤中，所述聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比（g/g）为1:3到3:1。
上述步骤中，所述聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚己内酯与所述有机溶剂二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的质量比（g/g）为8-12%。
上述步骤中，混合溶剂中N,N-二甲基甲酰胺的含量为0-5%。
上述步骤中，聚合物溶液中所述的柠檬酸和亚氯酸钠的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比分别为1%-10%。
上述方法步骤中，所述聚乙烯醇微球的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比为2%-5%。
上述步骤中，所述纺丝的工艺条件为：温度25±2℃，相对湿度60%-90%。
本发明还提供了一种高效低阻防雾霾口罩，过滤效率98-99%，阻力为40-60Pa，杀菌效率为98-99.9%。
有益效果：本发明通过静电纺丝技术制得多孔纳米纤维膜，该纳米纤维具有多孔的结构，能够有效的提高对雾霾的过滤效率，同时也能降低阻力，具有高效过滤，超低阻力的特点。
本发明在静电聚合物溶液中分别加入柠檬酸和亚氯酸钠搅拌分散均匀，然后进行分开纺丝，在高湿度下，能够使得柠檬酸和亚氯酸钠相互反应释放抗菌剂，具有湿度响应性释放抗菌剂进行智能抗菌的效果。在聚合物溶液中加入聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行。
纳米纤维的多孔结构不仅能够降低纤维膜的阻力、提高过滤效率，而且由于具备多孔结构，能够提高湿度响应的接触面积、多孔结构有利于水汽及水滴经过纤维表面，进入纤维核层，接触到柠檬酸和亚氯酸钠，促进反应的发生，产生抗菌剂，而从达到抗菌效果，其智能抗菌效率在98%-99.9%。尤其是在高湿度下易生长细菌、霉菌的情况下具有智能抗菌的效果。
由静电纺丝技术制得纳米纤维具有直径小，比面积大的特点，由其制得的纳米纤维膜具有纳米级的微孔和相互贯通的多孔通道，因此，拥有高孔隙率和良好的空气透过性，在空气过滤技术领域引起广泛关注和应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明多孔纳米纤维结构的SEM图；
图中：1为无纺布、2熔喷棉、3多孔纳米纤维膜。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做具体描述。
图1所示为本发明的结构示意图。
本发明提供了一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，包括无纺布1、熔喷棉2和多孔纳米纤维膜3，所述复合纤维膜由无纺布1、熔喷棉2和多孔纳米纤维膜3通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布1，中间层为熔喷棉2，内层为多孔纳米纤维膜3。
所述的超声热压复合的温度为80-150℃。
所述的多孔纳米纤维膜3中掺杂3%-10%的柠檬酸和亚氯酸钠。
所述熔喷棉2的厚度在0.5mm-1.5mm之间，多孔纳米纤维膜3的厚度在50μm-200μm之间。
所述无纺布1为抗静电处理后的无纺布。
图2为本发明多孔纳米纤维结构的SEM图。
所述多孔纳米纤维膜3由多孔纳米纤维制成。
所述多孔纳米纤维膜3由直径为100-900nm，孔径为50-400nm纳米纤维组成。
所述多孔纳米纤维膜3中多孔纳米纤维的形状类似椭圆形，孔尺寸分布均匀。
所述多孔纳米纤维膜3中多孔纳米纤维分布蓬松，各纤维间空隙在200-800nm 。
所述多孔纳米纤维由二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）与PCL（聚己内酯）为溶质，充分搅拌溶解；然后将溶解后的溶液分成两份，分别加入柠檬酸和亚氯酸钠搅拌分散均匀，制成两种不同的溶液，分别在两种不同溶液中加入聚乙烯醇微球；将上述两种聚合物溶液分别加入到静电纺丝机储液槽内，使两种不同的聚合物溶液同时纺丝，在高湿度的环境下，纤维表面溶剂挥发吸热，水蒸气凝结，形成模板，最终水蒸气挥发，得到相互交错、缠绕的多孔纳米纤维膜。
所述PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）与PCL（聚己内酯）的量为1：3到3:1；所述聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚己内酯与所述有机溶剂二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的质量比（g/g）为8-12%。
混合溶剂中所述N,N-二甲基甲酰胺的含量为0-5%。
聚合物溶液中所述的柠檬酸和亚氯酸钠的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比分别为1%-10%。
所述聚乙烯醇微球的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比为2%-5%。
所述纺丝的工艺条件为：温度25±2℃，相对湿度60%-90%。
所述多孔纳米纤维直径为100-900nm，纳米纤维孔径为50-400nm，湿度响应性智能杀菌效率在98%-99.9%。
本发明还提供了一种高效低阻防雾霾口罩，过滤效率98-99%，阻力为40-60Pa杀菌效率为98-99.9%。
实施例1口罩A的制备
1、制备多孔纳米纤维膜：将PLGA与PCL按照质量比为1:3溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺中，聚合物质量分数为12%，其中N,N-二甲基甲酰胺占混合溶剂质量的2%,充分搅拌均匀，然后分为两瓶，分别添加质量比为5%的柠檬酸和亚氯酸钠，再搅拌使其分散均匀。在两种溶液中分别加入2%的聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行；然后溶液在纺丝电压70kv，纺丝距离在20cm，纺丝的流速为600ml/h，温度在25℃，相对湿度85%电纺一段时间，得到多孔纳米纤维膜3。
2、制备复合纤维膜：将无纺布1、熔喷棉2和上述步骤1制备的多孔纳米纤维膜3通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布1，中间层为熔喷棉2，内层为多孔纳米纤维膜3。多孔纳米纤维膜3的多孔纳米纤维直径为500nm，纳米纤维孔径为100nm；所述多孔纳米纤维膜3的厚度为100μm，熔喷棉2的厚度在1mm；所述的热压复合的温度在120℃。
3、制备口罩：将上述复合纤维膜进一步制作成的口罩A，按照《日常防护型口罩技术规范》GB/T23610-2016进行口罩测试，口罩的过滤效率99%，阻力为52Pa，此外口罩的杀菌效率为99%。
实施例2口罩B的制备
1、制备多孔纳米纤维膜：将PLGA与PCL按照质量比为3:1溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺中，聚合物质量分数为8%，其中N,N-二甲基甲酰胺占混合溶剂质量的2%,充分搅拌均匀，然后分为两瓶，分别添加质量比为6%的柠檬酸和亚氯酸钠，再搅拌使其分散均匀。在两种溶液中分别加入4%的聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行；然后溶液在纺丝电压80kv，纺丝距离在28cm，纺丝的流速为800ml/h，温度在25℃，相对湿度95%电纺一段时间，得到多孔纳米纤维膜3。
2、制备复合纤维膜：将无纺布1、熔喷棉2和上述步骤1制备的多孔纳米纤维膜3通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布1，中间层为熔喷棉2，内层为多孔纳米纤维膜3。多孔纳米纤维膜3的多孔纳米纤维直径为600nm，纳米纤维孔径为120nm；所述多孔纳米纤维膜3的厚度为90μm，熔喷棉2的厚度在0.8mm；所述的热压复合的温度在130℃。
3、制备口罩：将上述复合纤维膜进一步制作成的口罩B，按照《日常防护型口罩技术规范》GB/T23610-2016进行口罩测试，口罩的过滤效率98.8%,阻力为43Pa，此外口罩的杀菌效率为99.5%。
实施例3口罩C的制备
1、制备多孔纳米纤维膜：将PLGA与PCL按照质量比为1:1溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，聚合物质量分数为10%，其中N,N-二甲基甲酰胺占混合溶剂质量的5%,充分搅拌均匀，然后分成两瓶，一瓶溶液中加入3%的柠檬酸、另一瓶溶液中加入3%的亚氯酸钠，在聚合物溶液中加入2%的聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行，再搅拌使其分散均匀。在两种溶液中分别加入3%的聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行；然后溶液在纺丝电压30kv，纺丝距离在12cm，纺丝的流速为200ml/h，温度在25℃，相对湿度60%电纺一段时间，得到多孔纳米纤维膜3。
2、制备复合纤维膜：将无纺布1、熔喷棉2和上述步骤1制备的多孔纳米纤维膜3通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布1，中间层为熔喷棉2，内层为多孔纳米纤维膜3。多孔纳米纤维膜3的多孔纳米纤维直径为500nm，纳米纤维孔径为100nm；所述多孔纳米纤维膜3的厚度为80μm，熔喷棉2的厚度在0.6mm；所述的热压复合的温度在100℃。
3、制备口罩：将上述复合纤维膜进一步制作成的口罩B，按照《日常防护型口罩技术规范》GB/T23610-2016进行口罩测试，口罩的过滤效率98.8%,阻力为43Pa，此外口罩的杀菌效率为98.5%。
实施例4口罩D的制备
1、制备多孔纳米纤维膜：将PLGA与PCL按照质量比为3:1溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺中，聚合物质量分数为8%；其中N,N-二甲基甲酰胺占混合溶剂质量的2%,充分搅拌均匀，然后分为两瓶，一瓶溶液中加入7%的柠檬酸、另一瓶溶液中加入6%的亚氯酸钠，再搅拌使其分散均匀。在两种溶液中分别加入5%的聚乙烯醇微球，有利于促进纳米纤维膨胀吸水，加速反应的进行；然后溶液在纺丝电压80kv，纺丝距离在28cm，纺丝的流速为800ml/h，温度在25℃，相对湿度95%电纺一段时间，得到多孔纳米纤维膜3。
2、制备复合纤维膜：将无纺布1、熔喷棉2和上述步骤1制备的多孔纳米纤维膜3通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布1，中间层为熔喷棉2，内层为多孔纳米纤维膜3。多孔纳米纤维膜3的多孔纳米纤维直径为600nm，纳米纤维孔径为200nm；所述多孔纳米纤维膜3的厚度为150μm，熔喷棉2的厚度在1.2mm；所述的热压复合的温度在140℃。
3、制备口罩：将上述复合纤维膜进一步制作成的口罩B，按照《日常防护型口罩技术规范》GB/T23610-2016进行口罩测试，口罩的过滤效率99.8%,阻力为45Pa，此外口罩的杀菌效率为99.5%。
实验例 口罩过滤效率及杀菌效率测试
1、测试产品：对照品1为某品牌M95型口罩；对照品2为某品牌9501型口罩；对照品3为某知名品牌口罩；产品A为本发明实施例1制备的口罩；产品B为本发明实施例2制备的口罩；产品C为本发明实施例3制备的口罩；产品D为本发明实施例4制备的口罩。
2、测试条件：环境湿度25±２℃、相对湿度30±5%、85L/min。
3、测试设备：SX-L1053滤料测试机。
4、测试结果：见下表。
可以看出，本发明制备的口罩产品与市场上的产品相比，过滤效果更好，阻力更低，而且市场上口罩对油性粒子过滤效果很差；在抗菌效果方面，市场上大部分口罩没有抗菌效果或者抗菌效果不佳，而本发明制备的口罩，经测试其抗菌效率在98%以上。
本发明通过在聚合物溶液中加入柠檬酸与亚氯酸钠，在通过静电纺丝技术制备具有湿度响应智能抗菌的多孔纳米纤维膜，用该复合纤维膜在85L/min的测试下，对PM2.5的过滤效率能达到99.9%，阻力也特别低的效果。该复合纤维膜制备简单，具有过滤效率高和阻力小的特点，且具有智能抗菌的效果，是一种理想的防雾霾过滤材料，可以用在新国标A级标准及以上口罩和空气净化设备。
由静电纺丝技术制得纳米纤维具有直径小，比面积大的特点，由其制得的纳米纤维膜具有纳米级的微孔和相互贯通的多孔通道，因此，拥有高孔隙率和良好的空气透过性，在空气过滤技术领域引起广泛关注和应用。
本发明通过静电纺丝技术制得多孔纳米纤维膜，该纳米纤维具有多孔的结构，在多孔纳米纤维膜中添加了功能性粒子，能够起到湿度响应性智能杀菌的效果，能够有效的提高对雾霾的过滤效率，同时也能降低阻力；通过将智能杀菌多孔纳米纤维膜与熔喷棉、无纺布一起通过超声热压而成复合纤维膜，具备有对盐性和油性粒子双重过滤的效果。发明制备方法简单，具有防雾霾过滤效率高和阻力低的优点。
本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。

Claims (9)

1.一种可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于：包括无纺布（1）、熔喷棉（2）和多孔纳米纤维膜（3），所述复合纤维膜由无纺布（1）、熔喷棉（2）和多孔纳米纤维膜（3）通过超声热压复合而成的三层结构，其外层为无纺布（1），中间层为熔喷棉（2），内层为多孔纳米纤维膜（3）；所述熔喷棉（2）的厚度在0.5mm-1.5mm之间，多孔纳米纤维膜（3）的厚度在50μm-200μm之间；所述多孔纳米纤维膜（3）由多孔纳米纤维制成；所述多孔纳米纤维直径为100-900nm，纳米纤维孔径为50-400nm；
所述多孔纳米纤维膜（3）的制备方法步骤如下：
（1）将聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA与聚己内酯PCL溶于二氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，充分搅拌使得充分溶解；
（2）然后将溶解后的溶液分成两份，分别加入柠檬酸和亚氯酸钠搅拌分散均匀，制成两种不同的溶液；再分别在两种不同溶液中加入聚乙烯醇微球，制成两种不同的聚合物溶液；
（3）将上述两种聚合物溶液分别加入到静电纺丝机储液槽内，使两种不同的聚合物溶液同时纺丝，得到相互交错、缠绕的多孔纳米纤维膜。
2. 根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于：所述多孔纳米纤维直径为500 nm，纳米纤维孔径为100nm；所述多孔纳米纤维膜（3）的厚度为100μm，熔喷棉（2）的厚度在1mm。
3.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于：所述多孔纳米纤维直径为600nm，纳米纤维孔径为120nm；所述多孔纳米纤维膜（3）的厚度为90μm，熔喷棉（2）的厚度在0.8mm。
4.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，所述聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比g/g为1:3到3:1。
5.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，所述聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚己内酯与所述有机溶剂二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的质量比g/g为8-12%。
6.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，所述混合溶剂中N,N-二甲基甲酰胺的含量为0-5%。
7.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，聚合物溶液中所述的柠檬酸和亚氯酸钠的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比分别为1%-10%。
8.根据权利要求1所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，所述纺丝的工艺条件为：温度25±2℃，相对湿度60%-90%。
9.根据权利要求1-8任一项所述的可用于高效低阻防雾霾口罩的复合纤维膜，其特征在于，所述聚乙烯醇微球的含量占聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚己内酯的质量比为2%-5%。
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