CN111264924A - 一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法，该安全抗菌防霾纳米纤维口罩的制备方法包括制作含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层的步骤，其中，先配制添加有所述抗菌剂的聚合物溶液，再通过气流纺丝工艺，随着溶剂挥发，成型聚合物纳米纤维，使所述抗菌剂与聚合物充分结合而黏附在聚合物纳米纤维表面或被聚合物包覆。该安全抗菌防霾纳米纤维口罩不仅显著加强了抗菌剂与载体的结合力，在保证抑菌、杀菌功能的同时极大地降低了纳米银脱落后被吸入体内的风险。

Description

一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及日用防护技术领域，特别是一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法。
背景技术
随着经济的飞速发展，人民的生活水平得到了大幅提高，但是经济发展的同时也带来了非常严峻的环境问题，由于工业生产、日常发电及汽车尾气排放等过程中燃烧而排放的大量残留物及各种自然灾害如火山爆发等原因，使空气中的颗粒物浓度大大增加，特别是PM2.5颗粒。研宄表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。细颗粒物能飘到较远的地方，因此影响范围较大。
为了防止这种细颗粒物对人体的侵害，口罩成了人们生活中的必备品，目前的口罩主要应用的材料为传统的非织造无纺布，这种材料的直径约十几微米，孔径较大，只能过滤较大的颗粒，对细颗粒物的过滤效果较差，无法满足人们的需求。
市场中大部分PM2.5口罩的高效过滤层都采用驻极布，采用电晕放电的方式，使普通熔喷布带有电荷从而提高对微粒的捕集和过滤。对空气中的病菌，细菌并不能起到抑制、杀死作用，且驻极作用一旦失效，过滤效率极剧下降。
纳米纤维直径只有头发的千分之一，编织的有效孔径可以拦截直径为 0.075微米微粒，PM2.5颗粒直径约2.5微米，细菌直径约5微米，病毒直径约0.1微米，因此纳米纤维可以对以上物质进行直接拦截且不会因为时效性降低拦截效率，但是拦截下的细菌病毒停留在口罩上，随着作用时间的增加，透过的风险也在逐渐增加。CN 105455254B号专利中提出对静电纺纳米纤维上喷纳米银悬浊液，可以有效抑制、杀死细菌病毒，增加使用寿命。但是静电纺纳米纤维因技术原因使得产能扩大困难且成本较高，喷洒纳米银的方式也使得其与载体的结合力不足，使用中存在脱落后吸入人体的风险。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种低成本安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩的制备方法，包括制作含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层的步骤，其中，先配制添加有所述抗菌剂的聚合物溶液，再通过气流纺丝工艺，随着溶剂挥发，成型聚合物纳米纤维，使所述抗菌剂与聚合物充分结合而黏附在聚合物纳米纤维表面或被聚合物包覆。
进一步地：
所述聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PSU)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化聚乙烯(PEO)中的一种或多种。
所述抗菌剂种类为纳米银、银离子抗菌剂、纳米活性炭中的一种或多种。
所述溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯 (MAC)、丙酮、甲酸、纯净水中的一种或多种。
所述溶液中的聚合物的质量百分比为5％～25％，所述抗菌剂的质量百分比为0.3％～2％。
所述配制添加所述抗菌剂的聚合物溶液具体包括：先将所述抗菌剂添加在溶剂中，超声处理20分钟后再加入聚合物，50℃保温搅拌4h，获得所述聚合物溶液。
所述气流纺丝工艺中，将载体层置于收集器上，设置接收距离为 10～35cm，风速50～500m/min，单针供液速度1～5ml/h。
包括制作由外至内的第一至第五层，所述第一层为棉纺纱布粗效过滤层，所述第二层为无纺布保护层，所述第三层即为所述含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层，第四层为无纺布载体层，第五层为棉纺纱布贴脸层；优选地，所述载体层的无纺布为面密度范围为15g/m2～50g/m2的PP无纺布；优选地，所述保护层的无纺布为面密度范围为10g/m2～30g/m2的PET无纺布。
将所述第二层和承载于所述第四层上的所述第三层通过超声焊接的方式进行复合，复合后的材料作为口罩的核心过滤层，所述核心过滤层再与所述第一层和所述第五层通过线缝或热熔或胶粘的方式进行复合。
一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩，是由所述的制备方法制备得到的安全抗菌防霾纳米纤维口罩。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种低成本安全抗菌防霾纳米纤维口罩及其制备方法，通过气流纺丝工艺制作含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层，将抗菌剂配制在聚合物溶液中不仅获得了较好的分散性，而且在气流纺丝工艺中，随着溶剂挥发，聚合物纤维成型，抗菌剂与聚合物充分结合黏附在聚合物纤维表面甚至被聚合物包覆，显著加强了抗菌剂与载体的结合力，在保证抑菌、杀菌功能的同时极大地降低了纳米银脱落后被吸入体内的风险。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩的制备方法，包括制作含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层的步骤，其中，先配制添加有所述抗菌剂的聚合物溶液，再通过气流纺丝工艺，随着溶剂挥发，成型聚合物纳米纤维，使所述抗菌剂与聚合物充分结合而黏附在聚合物纳米纤维表面或被聚合物包覆。
在一些实施例中，所述聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PSU)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化聚乙烯(PEO)中的一种或多种。
在一些实施例中，所述抗菌剂种类为纳米银、银离子抗菌剂、纳米活性炭中的一种或多种。
在一些实施例中，所述溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺 (DMF)、乙酸乙酯(MAC)、丙酮、甲酸、纯净水中的一种或多种。
在一些实施例中，所述溶液中的聚合物的质量百分比为5％～25％，所述抗菌剂的质量百分比为0.3％～2％。
在优选的实施例中，所述配制添加所述抗菌剂的聚合物溶液具体包括：先将所述抗菌剂添加在溶剂中，超声处理20分钟后再加入聚合物，50℃保温搅拌4h，获得所述聚合物溶液。
在优选的实施例中，所述气流纺丝工艺中，将载体层置于收集器上，设置接收距离为10～35cm，风速50～500m/min，单针供液速度1～5ml/h。
在优选的实施例中，本发明实施例的制备方法包括制作安全抗菌防霾纳米纤维口罩的由外至内的第一至第五层，所述第一层为棉纺纱布粗效过滤层，所述第二层为无纺布保护层，所述第三层即为所述含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层，第四层为无纺布载体层，第五层为棉纺纱布贴脸层。
其中，棉纺纱布的规格型号种类不做限制，主要符合透气性好，柔韧，与皮肤接触舒适度高，对人体无害的特性即可。
优选地，所述载体层的无纺布为面密度范围为15g/m2～50g/m2的PP无纺布。
优选地，所述保护层的无纺布为面密度范围为10g/m2～30g/m2的PET 无纺布。
在更优选的实施例中，将所述第二层和承载于所述第四层上的所述第三层通过超声焊接的方式进行复合，复合后的材料作为口罩的核心过滤层，所述核心过滤层再与所述第一层和所述第五层通过线缝或热熔或胶粘的方式进行复合。
本发明实施例还提供一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩，是由前述任一实施例所述的制备方法制备得到的安全抗菌防霾纳米纤维口罩。
通过气流纺丝工艺制作口罩的含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层，将抗菌剂配制在聚合物溶液中作为气流纺丝原料，不仅抗菌剂获得了较好的分散性，而且在气流纺丝工艺中，随着溶剂挥发，聚合物纤维成型，抗菌剂与聚合物充分结合黏附在聚合物纤维表面甚至被聚合物包覆，显著加强了抗菌剂与载体的结合力，在保证抑菌、杀菌功能的同时极大地降低了纳米银脱落后被吸入体内的风险。
以下进一步描述本发明的具体实施例。
实施例一：
第二层保护层为10g/m2的PET无纺布，第四层载体层为25g/m2的PP 无纺布。将适量纳米银加入DMF溶剂中,超声分散处理20分钟，再将适量 PVDF粉体加入超声处理好的溶剂中，50℃保温搅拌4h,最终获得质量分数0.5％纳米银，18％PVDF的纺丝溶液。将载体层无纺布置于收集器上，设置收集距离为30cm，风力300m/min，单针供液速度1.8ml/h。
纺丝完成后将第二层保护层盖在第三层纳米纤维高效过滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得口罩核心过滤层材料。最后将棉纺纱布包覆核心过滤层，进行线缝复合。将所得的五层复合材料进行NaCL盐性颗粒过滤测试，盐雾颗粒数量中值直径为75nm，过滤效率为93％，气阻80Pa。
实施例二：
第二层保护层为10g/m2的PET无纺布，第四层载体层为25g/m2的 PP无纺布。将适量纳米银加入DMF溶剂中,超声分散处理20分钟，再将适量PAN粉体加入超声处理好的溶剂中，50℃保温搅拌4h,最终获得质量分数0.5％纳米银，14％PAN的纺丝溶液。将载体层无纺布置于收集器上，设置收集距离为35cm，风力250m/min，单针供液速度2.5ml/h。
纺丝完成后将第二层保护层盖在第三层纳米纤维高效过滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得口罩核心过滤层材料。最后将棉纺纱布包覆核心过滤层，进行线缝复合。将所得的五层复合材料进行NaCl盐雾过滤测试，盐雾颗粒数量中值直径为75nm，过滤效率为88％，气阻90Pa。
实施例三：
第二层保护层为10g/m2的PET无纺布，第四层载体层为15g/m2的 PP无纺布。将适量纳米银加入DMF/MAc＝1:1混合溶剂中,超声分散处理 20分钟，再将适量TPU颗粒加入超声处理好的溶剂中，搅拌4h,最终获得质量分数1％纳米银，20％TPU的纺丝溶液。将载体层无纺布置于收集器上，设置收集距离为25cm，风力450m/min，单针供液速度3.5ml/h。
纺丝完成后将第二层保护层盖在第三层纳米纤维高效过滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得口罩核心过滤层材料。最后将棉纺纱布包覆核心过滤层，进行线缝复合。将所得的五层复合材料进行盐雾过滤测试，盐雾颗粒数量中值直径为75nm，过滤效率为80％，气阻90Pa。
实施例四：
第二层保护层为20g/m2的PET无纺布，第四层载体层为25g/m2的PP无纺布。将适量纳米银加入甲酸溶剂中,超声分散处理20分钟，再将适量PA6颗粒加入超声处理好的溶剂中，50℃保温搅拌4h,最终获得质量分数1％纳米银，10％PA6的纺丝溶液。将载体层无纺布置于收集器上，设置收集距离为15cm，风力300m/min，单针供液速度1.5ml/h。
纺丝完成后将第二层保护层盖在第三层纳米纤维高效过滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得口罩核心过滤层材料。最后将棉纺纱布包覆核心过滤层，进行线缝复合。将所得的五层复合材料进行盐雾过滤测试，盐雾颗粒数量中值直径为75nm，过滤效率为85％，气阻80Pa。
实施例五：
第二层保护层为10g/m2的PET无纺布，第四层载体层为15g/m2的PP 无纺布。将适量纳米银加入DMF溶剂中,超声分散处理20分钟，再将适量 PVDF粉体加入超声处理好的溶剂中，50℃保温搅拌4h,最终获得质量分数 2％纳米银，16％PVDF的纺丝溶液。将载体层无纺布置于收集器上，设置收集距离为20cm，风力200m/min，单针供液速度1.5ml/h。
纺丝完成后将第二层保护层盖在第三层纳米纤维高效过滤层上，使用超声复合机进行焊接处理，获得口罩核心过滤层材料。最后将棉纺纱布包覆核心过滤层，进行线缝复合。将所得的五层复合材料进行盐雾过滤测试，盐雾颗粒数量中值直径为75nm，过滤效率为95％，气阻85Pa。
PVDF纳米纤维平均直径更小，相同过滤效率下其有效孔径更小，面密度更低，且PVDF属于有机驻极体，纺丝过程中通过纤维自摩擦进行加电，可以有效提高过滤效率。TPU纳米纤维直径分布更均匀，工艺更稳定，且纤维具有较好弹性，使用中不易损毁。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩的制备方法，其特征在于，包括制作含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层的步骤，其中，先配制添加有所述抗菌剂的聚合物溶液，再通过气流纺丝工艺，随着溶剂挥发，成型聚合物纳米纤维，使所述抗菌剂与聚合物充分结合而黏附在聚合物纳米纤维表面或被聚合物包覆。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PSU)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化聚乙烯(PEO)中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述抗菌剂种类为纳米银、银离子抗菌剂、纳米活性炭中的一种或多种。
4.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯(MAC)、丙酮、甲酸、纯净水中的一种或多种。
5.如权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述溶液中的聚合物的质量百分比为5％～25％，所述抗菌剂的质量百分比为0.3％～2％。
6.如权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述配制添加所述抗菌剂的聚合物溶液具体包括：先将所述抗菌剂添加在溶剂中，超声处理20分钟后再加入聚合物，50℃保温搅拌4h，获得所述聚合物溶液。
7.如权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述气流纺丝工艺中，将载体层置于收集器上，设置接收距离为10～35cm，风速50～500m/min，单针供液速度1～5ml/h。
8.如权利要求1至7任一项所述的制备方法，其特征在于，包括制作由外至内的第一至第五层，所述第一层为棉纺纱布粗效过滤层，所述第二层为无纺布保护层，所述第三层即为所述含抗菌剂的纳米纤维高效过滤层，第四层为无纺布载体层，第五层为棉纺纱布贴脸层；优选地，所述载体层的无纺布为面密度范围为15g/m2～50g/m2的PP无纺布；优选地，所述保护层的无纺布为面密度范围为10g/m2～30g/m2的PET无纺布。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将所述第二层和承载于所述第四层上的所述第三层通过超声焊接的方式进行复合，复合后的材料作为口罩的核心过滤层，所述核心过滤层再与所述第一层和所述第五层通过线缝或热熔或胶粘的方式进行复合。
10.一种安全抗菌防霾纳米纤维口罩，其特征在于，是由如权利要求1至9任一项所述的制备方法制备得到的安全抗菌防霾纳米纤维口罩。
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