CN111387609A - 一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法 - Google Patents

一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法，包括外层、内层、中间层、耳带和鼻梁夹，中间层包括基础层和设置在基础层上的纳米纤维膜层，基础层为无纺布，纳米纤维膜层通过静电纺丝的方式与基础层结合在一起；纳米纤维膜层与内层相邻，基础层与外层相邻；纳米纤维膜层的纤维直径为50‑200纳米，孔径为30‑90纳米。本发明纤维膜防护口罩成本更低，过滤效果好，透气性好、更轻薄，打破了目前口罩中间过滤层只能采用熔喷布的限制，将纳米纤维膜过滤层应用在口罩生产中，有利于稳定市场，缓解因供求不平衡造成的原料价格上涨、口罩成本提高的问题，避免原料供应不足造成的口罩供应短缺的问题。

Description

一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法
技术领域
本发明涉及防护口罩技术领域，具体涉及一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法。
背景技术
口罩是一种卫生用品，戴在口鼻部位用于过滤进入口鼻的空气，以达到阻挡有害的气体、气味、飞沫进出佩戴者口鼻的作用，口罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用，在呼吸道传染病流行时，或者在粉尘等污染的环境中作业时，佩戴适合的口罩能达到有效的防护作用。
现有的口罩中间过滤层一般采用熔喷布，熔喷布主要以聚丙烯为主要原料，熔喷布空隙多、结构蓬松，具有独特的毛细结构的超细纤维增加了单位面积内的纤维数量和表面积，从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性和吸油性。熔喷布的电荷吸附能力会随着时间和环境的变化减弱，导致过滤功能逐渐衰减，因此在污染物密集存在、防护要求严格的场所，口罩佩戴2-4小时就需要更换。
但是当呼吸道传染病流行时，口罩需求量激增，熔喷布产量供给不足，无法满足口罩生产的需要，给防护工作造成困难；同时市场上的熔喷布原料价格大幅上涨，进而使得口罩成本提高，不利于市场稳定。因此研究一种采用成本低、过滤效果好、且能够取代熔喷布的过滤材料制备的防护口罩是极为必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纳米纤维膜防护口罩及其制造方法，其采用纳米纤维膜过滤层作为口罩的中间层，取代了熔喷布作为口罩的中间过滤层，成本更低、过滤效果好。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种纳米纤维膜防护口罩，包括外层、内层、中间层、耳带和鼻梁夹，所述中间层包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，所述基础层为无纺布，所述纳米纤维膜层通过静电纺丝的方式与基础层结合在一起；所述纳米纤维膜层与内层相邻，所述基础层与外层相邻；所述纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米。
本发明纳米纤维膜防护口罩，其中的中间层包括基础层和纳米纤维膜层，纳米纤维膜层采用静电纺丝的方式与基材无纺布结合在一起，纳米纤维膜层的纤维直径更细，孔径更小，其中的纤维是无序、随机分布的，使得具有更大的比表面积和更高的孔隙率，物理过滤能力比熔喷布更强，由于是静电纺丝制成，其同时具有良好的静电吸附过滤的能力，使该纳米纤维膜层兼具物理过滤与静电吸附过滤的功能，其以基础层无纺布为载体，共同组成一种能够取代熔喷布作为口罩中间层的过滤层。
优选的，在所述内层的内侧左右边缘处设有防漏气侧边，所述防漏气侧边包括固定部和活动部，所述固定部与所述内层的竖向边缘固定连接在一起，所述活动部置于所述内层内侧；
所述防漏气侧边与所述中间层结构相同，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防漏气侧边的纳米纤维膜层与所述内层相邻；
所述耳带固定在所述防漏气侧边的内侧基础层上，且位于活动部所在区域。
现有的口罩，由于左右两侧边处有压合的褶皱，佩戴时中间口鼻部位撑开，左右两侧边处容易出现缝隙，不会完全贴合侧脸，呼吸的时候空气从两侧进出，造成防护效果降低。本发明在口罩两侧内部设置防漏气侧边，在佩戴时，耳带向两侧打开，使得防漏气侧边的活动部向外翻开，耳带挂在耳朵上，给活动部以拉力，使得活动部贴合在两边侧脸处，能够将口罩两侧的褶皱处挡住，避免呼吸时空气从两侧进出造成漏气；防漏气侧边采用与中间层相同的结构，活动部初始状态时纳米纤维膜层与内层相邻，基础层在最内侧，耳带打开后，带动活动部翻开，使得活动部的纳米纤维膜层接触面部，能够起到过滤作用，即使有空气从口罩两侧进出，也会得到过滤，起到进一步的防护作用。
优选的，在所述内层内侧上部边缘处设有防压侧边，所述防压侧边与所述中间层结构相同，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防压侧边的基础层与所述内层固定在一起，所述防压侧边的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；所述防压侧边的宽度大于或等于所述鼻梁夹的宽度。
现有的口罩在佩戴时，鼻梁夹的位置需要折弯一下，以贴合鼻梁，由于每个人的脸型不同、鼻梁高低不同，在佩戴口罩时鼻梁处无法完全贴合，容易出现缝隙，造成漏气，降低防护效果；尤其是戴眼镜的人，口罩上侧边漏气就会在眼镜上形成雾气，影响视线，给佩戴者造成很大的困扰；同时鼻梁夹的位置通常有一定的硬度，为了更好的贴合面部，一般会用力按压鼻梁夹处，给鼻梁和脸部造成压痕，佩戴口罩时间长了甚至会造成皮肤磨损。本发明在口罩上边缘处鼻梁夹内侧设置防压侧边，起到柔软垫片的作用，能够减少鼻梁夹处对鼻梁和两侧脸部的压痕；且防压侧边的结构与中间层相同，防压侧边的基础层固定在内层上，防压侧边的内侧纳米纤维膜层与脸部皮肤接触，其触感更加柔软，能够减少鼻梁夹处对皮肤的摩擦，避免长时间摩擦造成皮肤磨损。
优选的，所述纳米纤维膜层的孔隙率为60-80％，使得该纳米纤维膜层具有良好的透气性。
优选的，所述基础层的厚度为45-55微米，所述纳米纤维膜层的厚度为3-5微米。
在同等过滤条件下，本发明中所用的中间层总体比熔喷布更轻、更薄，透气性更好；现有技术中熔喷布为达到过滤效果的要求，通常会增加一定的厚度，这样做成的口罩比较厚重，同时会产生透气性差、气闷、口罩从两侧漏气等问题，而本发明纳米纤维膜防护口罩，在具备同等过滤效果的条件下，透气性更好，更轻便，不会产生气闷、口罩从两侧漏气等问题。
优选的，所述纳米纤维膜层以聚偏氟乙烯为原料。
优选的，每平方米的纳米纤维膜层所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克。每平方米的纳米纤维膜层用料是很少的，制备的中间层更轻薄，成本更低。
优选的，所述内层、外层均为无纺布。
本发明还涉及一种纳米纤维膜防护口罩的制造方法，包括下列步骤：
（1）过滤材料制备：将基材无纺布安装在静电纺丝机的进料辊上，基材无纺布的活动端绕过中间过渡辊卷绕在收卷辊上；静电纺丝机以聚偏氟乙烯为原料，通过喷头向基材无纺布一侧喷涂形成纳米纤维膜层；将形成纳米纤维膜层后的基材无纺布进行分切、收卷，得到作为口罩中间层的过滤材料；
其中，制备每平方米的纳米纤维膜层所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克；所述基材无纺布的厚度为45-55微米，所述纳米纤维膜层的厚度为3-5微米；所述纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米，孔隙率为60-80％；
（2）口罩制备：将步骤（1）所得的过滤材料作为口罩中间层，采用无纺布作为外层和内层，制备口罩。
优选的，步骤（2）中，在口罩的内层的内侧左右边缘处压设防漏气侧边，所述防漏气侧边包括固定部和活动部，所述固定部与所述内层的竖向边缘固定连接在一起，所述活动部置于所述内层内侧；
所述防漏气侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防漏气侧边的纳米纤维膜层与所述内层相邻；所述耳带固定在所述防漏气侧边的内侧基础层上，且位于活动部所在区域；
在口罩的内层内侧上部边缘处压设防压侧边，所述防压侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防压侧边的基础层与所述内层固定在一起，所述防压侧边的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；所述防压侧边的宽度大于或等于所述鼻梁夹的宽度。
本发明的有益效果在于：
本发明纳米纤维膜防护口罩，采用的中间层以无纺布为载体、以纳米纤维膜层为过滤层，采用静电纺丝技术将纳米纤维膜与无纺布结合在一起，形成一种能够取代熔喷布的口罩中间过滤层，其实现了物理过滤和静电吸附过滤双重功能相结合，过滤效果好，透气性好、更轻薄，过滤效果与熔喷布相当甚至更好、防护时间更长，且成本更低。
熔喷布的纤维直径一般是1-5微米，而本发明中的纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米，纤维更加细，空隙更小，物料过滤的效果更好；由于是静电纺丝制成，使该纳米纤维膜层兼具物理过滤与静电吸附过滤的功能，过滤效果不受电荷影响，解决了熔喷布随时间和环境变化而产生电荷衰减造成过滤效果降低的问题，与熔喷布相比，可延长20倍的防护时间。该纳米纤维膜层不仅成本比熔喷布更低，生产速度也更快，每天产能可以达到500公斤，可供给口罩生产50万只，能够解决熔喷布因市场需求价格大幅上涨的问题，是一种过滤性能良好、性价比更高的替代产品。
本发明纳米纤维膜防护口罩可以在内侧左右边缘处设置防漏气侧边，防止口罩两侧漏气，起到进一步的防护作用；还可以在鼻梁夹内侧边缘处设置防压侧边，防止面部产生压痕和皮肤磨损。
本发明纳米纤维膜防护口罩成本更低，过滤效果好，透气性好、更轻薄，打破了目前口罩中间过滤层只能采用熔喷布的限制，将纳米纤维膜过滤层应用在口罩生产中，有利于稳定市场，缓解因供求不平衡造成的原料价格上涨、口罩成本提高的问题，避免原料供应不足造成的口罩供应短缺的问题。
附图说明
图1是本发明纳米纤维膜防护口罩一种实施方式的内侧结构示意图；
图2是图1中纳米纤维膜防护口罩的层次结构示意图；
图3是图2中纳米纤维膜层的纤维结构放大图；
图4是本发明纳米纤维膜防护口罩另一种实施方式的内侧结构示意图；
图5是图4中耳带打开的结构示意图；
图6是本发明纳米纤维膜防护口罩又一种实施方式的内侧结构示意图；
图中标号，1外层，2内层，3基础层，4纳米纤维膜层，5耳带，6鼻梁夹，7防漏气侧边，8防压侧边。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种纳米纤维膜防护口罩，参见图1-图3，包括外层1、内层2、中间层、耳带5和鼻梁夹6，内层2、外层1均为无纺布。中间层包括基础层3和设置在基础层3上的纳米纤维膜层4，基础层3为无纺布，纳米纤维膜层4通过静电纺丝的方式与基础层3结合在一起；纳米纤维膜层4与内层2相邻，基础层3与外层1相邻；纳米纤维膜层4的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米。
其中，纳米纤维膜层4的孔隙率为60-80％；基础层3的厚度为45-55微米，纳米纤维膜层4的厚度为3-5微米；纳米纤维膜层4以聚偏氟乙烯为原料，每平方米的纳米纤维膜层4所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克。
实施例2：一种纳米纤维膜防护口罩，参见图4、图5，与实施例1的不同之处在于，在内层2的内侧左右边缘处设有防漏气侧边7，防漏气侧边7包括固定部和活动部，固定部与内层2的竖向边缘固定连接在一起，活动部置于内层2内侧；防漏气侧边7与中间层结构相同，包括基础层和设置在基础层上的纳米纤维膜层，且防漏气侧边7的纳米纤维膜层与内层相邻；耳带5固定在防漏气侧边7的内侧基础层上，且位于活动部所在区域。
实施例3：一种纳米纤维膜防护口罩，参见图6，与实施例2的不同之处在于，在内层2内侧上部边缘处设有防压侧边8，防压侧边8与中间层结构相同，包括基础层和设置在基础层上的纳米纤维膜层，且防压侧边的基础层与内层2固定在一起，防压侧边8的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；防压侧边8的宽度大于或等于鼻梁夹的宽度。
防压侧边8可以中部与内层2固定在一起，上部与口罩上边缘齐平，或者上部延伸到口罩上边缘之外；防压侧边8的两端可以设置为弧形。
实施例4：一种纳米纤维膜防护口罩的制造方法，包括下列步骤：
（1）过滤材料制备：将基材无纺布安装在静电纺丝机的进料辊上，基材无纺布的活动端绕过中间过渡辊卷绕在收卷辊上；静电纺丝机以聚偏氟乙烯为原料，通过喷头向基材无纺布一侧喷涂形成纳米纤维膜层；将形成纳米纤维膜层后的基材无纺布进行分切、收卷，得到作为口罩中间层的过滤材料；
其中，制备每平方米的纳米纤维膜层所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克；基材无纺布的厚度为45-55微米，纳米纤维膜层的厚度为3-5微米；纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米，孔隙率为60-80％；
（2）口罩制备：将步骤（1）所得的过滤材料作为口罩中间层，采用无纺布作为外层和内层，制备口罩。
进一步的，步骤（2）中，在口罩的内层的内侧左右边缘处压设防漏气侧边，防漏气侧边包括固定部和活动部，固定部与内层的竖向边缘固定连接在一起，活动部置于内层内侧；
防漏气侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在基础层上的纳米纤维膜层，且防漏气侧边的纳米纤维膜层与内层相邻；耳带固定在防漏气侧边的内侧基础层上，且位于活动部所在区域；
进一步的，在口罩的内层内侧上部边缘处压设防压侧边，防压侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在基础层上的纳米纤维膜层，且防压侧边的基础层与内层固定在一起，防压侧边的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；防压侧边的宽度大于或等于鼻梁夹的宽度。
采用YY 0469-2011《医用外科口罩》的标准对本发明纳米纤维膜防护口罩进行检验，检验项目：颗粒过滤效率（PFE）和压力差（△P），检验结果如下：
Figure 945767DEST_PATH_IMAGE002
由以上检验结果可知，本发明纳米纤维膜防护口罩对非油性颗粒的过滤效率达到了78%以上，符合YY 0469-2011《医用外科口罩》的颗粒过滤效率检测标准；口罩两侧面的压力差最大只有38Pa，说明本发明纳米纤维膜防护口罩的透气性更好，采用纳米纤维膜作为口罩的中间层，不会产生气闷、不透气的问题，能够避免因透气性不好而使呼出的空气从口罩两侧跑出，造成口罩的防护性降低的问题。
采用GB 19083-2010《医用防护口罩》的标准对本发明纳米纤维膜防护口罩进行检验，检验项目：“过滤效率”、“气流阻力”，检验结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
从以上检测结果可知，在气体流量为85L/min情况下，口罩对非油性颗粒的过滤效率达到了95%的要求，而口罩的吸气阻力也完全符合检测标准，说明本发明采用纳米纤维膜层作为口罩的中间过滤层，其过滤效果和透气性均是良好的。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种纳米纤维膜防护口罩，包括外层、内层、中间层、耳带和鼻梁夹，其特征在于，所述中间层包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，所述基础层为无纺布，所述纳米纤维膜层通过静电纺丝的方式与基础层结合在一起；所述纳米纤维膜层与内层相邻，所述基础层与外层相邻；所述纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，在所述内层的内侧左右边缘处设有防漏气侧边，所述防漏气侧边包括固定部和活动部，所述固定部与所述内层的竖向边缘固定连接在一起，所述活动部置于所述内层内侧；
所述防漏气侧边与所述中间层结构相同，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防漏气侧边的纳米纤维膜层与所述内层相邻；
所述耳带固定在所述防漏气侧边的内侧基础层上，且位于活动部所在区域。
3.根据权利要求2所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，在所述内层内侧上部边缘处设有防压侧边，所述防压侧边与所述中间层结构相同，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防压侧边的基础层与所述内层固定在一起，所述防压侧边的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；所述防压侧边的宽度大于或等于所述鼻梁夹的宽度。
4.根据权利要求1所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，所述纳米纤维膜层的的孔隙率为60-80％。
5.根据权利要求1所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，所述基础层的厚度为45-55微米，所述纳米纤维膜层的厚度为3-5微米。
6.根据权利要求1所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，所述纳米纤维膜层以聚偏氟乙烯为原料。
7.根据权利要求1所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，每平方米的纳米纤维膜层所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克。
8.根据权利要求4所述的纳米纤维膜防护口罩，其特征在于，所述内层、外层均为无纺布。
9.一种权利要求1所述纳米纤维膜防护口罩的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）过滤材料制备：将基材无纺布安装在静电纺丝机的进料辊上，基材无纺布的活动端绕过中间过渡辊卷绕在收卷辊上；静电纺丝机以聚偏氟乙烯为原料，通过喷头向基材无纺布一侧喷涂形成纳米纤维膜层；将形成纳米纤维膜层后的基材无纺布进行分切、收卷，得到作为口罩中间层的过滤材料；
其中，制备每平方米的纳米纤维膜层所用的聚偏氟乙烯原料为2-4克；所述基材无纺布的厚度为45-55微米，所述纳米纤维膜层的厚度为3-5微米；所述纳米纤维膜层的纤维直径为50-200纳米，孔径为30-90纳米，孔隙率为60-80％；
（2）口罩制备：将步骤（1）所得的过滤材料作为口罩中间层，采用无纺布作为外层和内层，制备口罩。
10.根据权利要求9所述的纳米纤维膜防护口罩的制造方法，其特征在于，步骤（2）中，在口罩的内层的内侧左右边缘处压设防漏气侧边，所述防漏气侧边包括固定部和活动部，所述固定部与所述内层的竖向边缘固定连接在一起，所述活动部置于所述内层内侧；
所述防漏气侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防漏气侧边的纳米纤维膜层与所述内层相邻；所述耳带固定在所述防漏气侧边的内侧基础层上，且位于活动部所在区域；
在口罩的内层内侧上部边缘处压设防压侧边，所述防压侧边采用步骤（1）所得过滤材料，包括基础层和设置在所述基础层上的纳米纤维膜层，且所述防压侧边的基础层与所述内层固定在一起，所述防压侧边的纳米纤维膜层用于贴合脸部鼻梁处；所述防压侧边的宽度大于或等于所述鼻梁夹的宽度。
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