CN111631456A - 一种复合防护杀毒口罩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合防护杀毒口罩及其制备方法，涉及防菌口罩技术领域。本发明的复合防护杀毒口罩包括纳米复合材料杀菌布层和滤纸层；其中，所述纳米复合材料杀菌布层包括氧化锌颗粒和有机短纤维；所述滤纸层由棉浆纤维、天丝纤维、龙须草纤维组成。制备时从外到内按照如下次序进行口罩组装：无纺布层、纳米复合材料杀菌布层、滤纸层、无纺布层。利用成本低廉的氧化锌纳米粉体作为杀毒材料，抑制吸附在口罩上的细菌扩散和繁殖。此外，通过对口罩的简单揉搓，氧化锌颗粒可以和促静电短纤维产生静电，恢复驻极材料层的静电吸附效果。

Description

一种复合防护杀毒口罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及防菌口罩技术领域，具体涉及一种复合防护杀毒口罩及其制备方法。
背景技术
微生物往往黏附在空气气溶胶细小颗粒物的表面，可以随着这些细小颗粒物较长时间停留在空中，或随风播散到较远的地区。某些微生物颗粒还可以随着人的呼吸进入肺部或通过伤口感染，造成许多传染性疾病的传播，对人类身体健康带来严重的危害。口罩对于进入口鼻的空气有一定的过滤作用，口罩的滤材通常由若干层非织造布组成，不同厂家选用的原料，以及生产的口罩结构、层数会略微不同，在各层之间的联系上，基本上都遵循所谓“梯度过滤”的原则。其中最外层为抗湿面层，滤料的孔径尺寸较大，负责过滤较大的微粒子，内层多为皮肤亲和材料，使人呼出的水汽尽快散出，保持嘴部皮肤干爽、舒适，中间层则是整个PM2.5口罩的核心部位，承担过滤更微细的粒子这种设计使各层滤料之间“分工合作”，在保证较高过滤效率的同时又能保持较好的舒适度和达到较大的容尘能力。
微粒子在PM2.5口罩滤纸中的过滤机理十分复杂，除了表层过滤，更多的是深层过滤，由于滤纸具有一定的厚度和错综复杂的孔隙结构，微粒子跟随气流运动到滤纸表面，纤维之间交织的网络结构能将远比滤纸孔径小得多的微粒子截留。由于病毒尺寸小于0.1微米，口罩对已经附着在其上的病毒过滤能力有限。因此，有效杀毒变得十分必要。相关研究结果表明，驻极材料对细微粉尘的过滤能力比一般材料高50％。将非织造材料经过驻极处理后可以大幅度的提升其性能。虽然驻极技术的引入极大的提升了非织造材料的过滤效率，但是驻极非织造材料极易产生衰减，难以实现性能的持久稳定性，因而会导致产品的安全性降低。在五种过滤截流机理中，静电吸附效果尤为重要，对细小颗粒的过滤起主要作用。
中国专利申请201710232912.5公开了一种中药口罩滤芯，属于防菌口罩技术领域，由外向内包括活性炭纤维层和抗菌保健层，所述抗菌保健层包括以下重量份数的原料：棉纤维45-55份、纳米氧化锌2-3份、羧甲基壳聚糖10-15份、海藻酸钠20-30份、白芷20-30份、辛夷20-30份、芦荟20-30份和菊花20-30份。该中药口罩滤芯上层的活性炭纤维层具有很强的吸附和过滤功能，下层的抗菌保健层是以棉纤维和海藻酸钠混纺，添加纳米氧化锌和中药提取物，抗菌保健性能、吸湿性能以及透气性能优异。
中国专利201711302050.5一种医用高效杀菌口罩。口罩为层叠结构，由外向内依次包括：第一无纺布层、杀菌层及第二无纺布层；杀菌层由聚丙烯纤维和铒元素掺杂的纳米氧化锌组成，其中，聚丙烯纤维占90-95重量份，铒元素掺杂的纳米氧化锌占5-10重量份；铒元素掺杂的纳米氧化锌的粒径范围为50-200nm。通过特定制备方法将铒元素掺杂到纳米氧化锌中，该医用口罩显著提高了杀菌效果，但是该口罩存在制备成本较高的不足。
总体来看，现有技术主要存在技术相对复杂，成本相对较高，同时静电吸附能力衰减导致防护性能下降的问题。针对上述问题，本研究直接利用植物纤维改性的方法，将活性炭和氧化锌混合作为过滤层。除此之外，为解决口罩中驻极材料层的吸附能力衰减问题，本发明利用氧化锌颗粒和有机纤维的摩擦生电恢复驻极材料的静电吸附能力，使口罩在保持对极细小颗粒过滤能力的同时兼具有效的杀菌能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合防护杀毒口罩及其制备方法，利用成本低廉的氧化锌纳米粉体作为杀毒材料，抑制吸附在口罩上的细菌扩散和繁殖。此外，通过对口罩的简单揉搓，氧化锌颗粒可以和促静电短纤维产生静电，恢复驻极材料层的静电吸附效果。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种复合防护杀毒口罩，包括纳米复合材料杀菌布层和滤纸层。
其中，所述纳米复合材料杀菌布层包括氧化锌颗粒、有机短纤维和活性炭纤维；所述滤纸层由棉浆纤维、天丝纤维、龙须草纤维组成。
优选的，所述纳米复合材料杀菌布层，其中所述氧化锌颗粒与有机短纤维的总重量占纳米复合材料杀菌布层的质量分数为4.9-6.25％，进一步优选为4.91％。
优选的，氧化锌颗粒与有机短纤维的重量比为7-8:2-3，进一步优选为7:3。
优选的，活性炭纤维是指封装氧化锌颗粒的活性炭纤维布。
优选的，所述氧化锌颗粒粒径范围为200nm-5μm，进一步优选为500nm。
优选的，所述有机短纤维为涤纶短纤维。
优选的，所述涤纶短纤维的长度范围为1mm-10mm，进一步优选为25mm。
优选的，所述滤纸层中棉浆纤维：天丝纤维：龙须草纤维的重量比为5-15:70-85:5-15，进一步优选为10:80:10。
所述复合防护杀毒口罩还包括两层无纺布层，其结构为从外到内依次为：第一层：无纺布层；第二层：纳米复合材料杀菌布层；第三层：滤纸层；第四层：无纺布层。
优选的，所述第一层无纺布层为聚丙烯无纺布层。
优选的，所述第四层无纺布层为全棉水刺无纺布。
另外，本发明还提供上述复合防护杀毒口罩的制备方法，包括以下步骤：
(1)纳米复合材料杀菌布层制备：取水性聚氨酯乳液、纳米氧化锌、有机短纤维、光引发剂、渗透剂制备复合乳液，将活性碳纤维布加入至复合乳液中，用超声波震荡；制备抗菌无纺布样品，对样品进行热定型、光固化；碳纤维布上附着了有机短纤维和纳米氧化锌颗粒后，将碳纤维布缝制为封闭状口袋，最终获得纳米复合材料杀菌布层；
(2)滤纸层制备：取漂白棉浆板、丝光化针叶浆板、龙须草浆板和天丝纤维混合打浆，打浆后抄造纸页，烘干后得滤纸层；
(3)从外到内按照如下次序进行口罩组装：无纺布层、纳米复合材料杀菌布层、滤纸层、无纺布层，得上述复合防护杀毒口罩。
优选的，所述步骤(1)具体为：
纳米复合材料杀菌布层制备：将活性碳纤维布切割成口罩大小尺寸，将裁剪好的无纺布试样称重，按照浴比1:70-90加入至复合乳液中，用超声波震荡20min后，采用二浸二轧工艺制备抗菌无纺布样品，轧液率控制在100％；通过热定型机对样品50℃预烘4min，120℃烘焙3min，之后将样品放在3kw的紫外高压汞灯下照射15s，进行UV光固化。此时，碳纤维布上已附着了有机短纤维和纳米氧化锌颗粒，将碳纤维布缝制为封闭状口袋，获得纳米复合材料杀菌布层。
其中，所述复合乳液按照以下方法制备：向浓度为80-120g/L的水性聚氨酯乳液中加入氧化锌颗粒、有机短纤维、光引发剂、渗透剂，混合均匀得复合乳液；优选的，氧化锌颗粒在复合乳液中的质量分数为2.5-3.5％，有机短纤维按配方中与氧化锌颗粒的比例加入，光引发剂在复合乳液中质量分数为3.5-4.5％，渗透剂在复合乳液中质量浓度为1.5-2.5g/L。
优选的，所述步骤(2)具体为：
滤纸层制备：将长度为38mm的天丝纤维分别切短至1.1-1.2mm和2.2-2.4mm，取漂白棉浆板、丝光化针叶浆板、龙须草浆板和切短后的天丝纤维放入水中浸泡4h，打浆备用，设定打浆工艺为：总量：15g绝干浆，浓度10％，打浆时间1-5min，立式磨浆机间隙-0.5mm。在纸样抄取器上抄取目标定量为80g/m2的纸页，所得纸页用热电鼓风干燥箱干燥，得滤纸层，置于20℃玻璃干燥器中备用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明利用成本低廉的氧化锌纳米粉体作为杀毒材料，以抑制吸附在口罩上的细菌扩散和繁殖，于现有技术相比，具有较高的成本优势；
2、通过对口罩的简单揉搓，氧化锌颗粒可以和促静电短纤维产生静电，恢复驻极材料层的静电吸附效果，可长时间维持优良的杀毒抑菌效果；
3、性能优良，过滤性能好、吸气阻力小。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下述实施例中，若无特殊说明，所用的操作方法均为常规操作方法，所用设备均为常规设备。
下述实施例中，涤纶短纤维购自泉州市喜悦纤维制品有限公司，货号为1D，长度为25mm；氧化锌颗粒购自九朋公司，货号为CY-J30L，粒径为500nm；水性聚氨酯乳液购自知弗(上海)技术服务有限公司，货号为zf7412；光引发剂购自巴斯夫公司，货号为IRGACURE500；渗透剂购自南通辰润化工有限公司公司，货号为JFC-6。
下述实施例中，制备的复合防护杀毒口罩包括口罩主体、富有弹性的耳带、可塑性鼻夹。口罩的规格设定为17.5cm×9.5cm。
口罩的结构由外至内依次是：
第一层为聚丙烯无纺布层。
第二层为纳米复合材料杀菌布层；
第三层为滤纸层；
第四层为全棉水刺无纺布。
实施例1-4对比例1-2
实施例1-4，对比例1-2的结构组成如表1所示。
表1.
Figure BDA0002552459520000051
制备例
(1)纳米复合材料杀菌布层制备：将活性碳纤维布切割成口罩大小尺寸，将裁剪好的无纺布试样称重，按照浴比1:80加入至复合乳液中，用超声波震荡20min后，采用二浸二轧工艺制备抗菌无纺布样品，轧液率控制在100％；通过热定型机对样品50℃预烘4min，120℃烘焙3min，之后将样品放在3kw的紫外高压汞灯下照射15s，进行UV光固化。此时，碳纤维布上已附着了有机短纤维和纳米氧化锌颗粒，将碳纤维布缝制为封闭状口袋，获得纳米复合材料杀菌布层。
其中，所述复合乳液按照以下方法制备：向浓度为100g/L的水性聚氨酯乳液中加入氧化锌颗粒、有机短纤维、光引发剂、渗透剂，混合均匀得复合乳液；优选的，氧化锌颗粒在复合乳液中的质量分数为3％，有机短纤维按配方中与氧化锌颗粒的比例加入，光引发剂在复合乳液中质量分数为4％，渗透剂在复合乳液中质量浓度为4g/L。
(2)滤纸层制备：将长度为38mm的天丝纤维分别切短至1.1-1.2mm和2.2-2.4mm，取漂白棉浆板、丝光化针叶浆板、龙须草浆板和切短后的天丝纤维放入水中浸泡4h，打浆备用，设定打浆工艺为：总量：15g绝干浆，浓度10％，打浆时间3min，立式磨浆机间隙-0.5mm。在纸样抄取器上抄取目标定量为80g/m2的纸页，所得纸页用热电鼓风干燥箱干燥，得滤纸层，置于20℃玻璃干燥器中备用。
(3)从外到内按照如下次序进行口罩组装：聚丙烯无纺布层、纳米复合材料杀菌布层；滤纸层；全棉水刺无纺布。
测试例
寻找志愿者，分别在上午8:30-12:30、下午13:00-16:30使用同一口罩(共8h)，同时分别在上午和下午使用后进行一次简单揉搓，对使用前和使用后的口罩分别进行过滤效率、吸气阻力、细菌过滤和病毒过滤测试：
对颗粒物的过滤效率和吸气阻力测试方法如下：用热熔胶将待测口罩密封于底部水平的金属槽中，使口罩边缘不漏气，金属槽下端连通可调节流量的抽气泵，测试时调节抽气泵模拟不同吸气流量。将Porta Count呼吸防护用品密合度测试仪(TSI8038，美国TSI公司)的两个连接管分别连接口罩内外环境，仪器内部的气泵将口罩内外环境的空气抽入仪器中，由仪器内置的阀门转换器进行转换，采用核凝计数法，分别计数口罩内外两侧颗粒物的数目(计数空气动力学直径为0.3μm左右的最具有穿透力、最难过滤的颗粒物)，仪器自动计算出口罩外环境与口罩内环境颗粒物的浓度比F1，该比值的倒数为待测口罩的穿透泄漏，1减穿透泄漏即为口罩对颗粒物的滤过效率(计算公式：PFE＝1－1/F1)。在口罩上打孔，与数字微压计(MP100S，法国KIMO公司)相连，可测得抽气时口罩外部与口罩密封腔内的压力差，即为吸气阻力。其中，过滤效率测试在30L/min气流条件下进行，吸气阻力测试在85L/min抽气流量下进行。
细菌过滤性能检测：参照FZ/T73023-2006《抗菌针织品》，以振荡法测定实施例以及对比例的抑菌率，所用菌种为金黄色葡萄球菌。
病毒过滤性能检测：采用YY/T 1497-2016医用防护口罩材料病毒过滤效率评价测试方法中Phi-X174噬菌体测试方法进行测试。
测试时每项5个样品进行测试取均值。测试结果如表2所示。
表2.
Figure BDA0002552459520000071
由表2可看出，与对比例相比，本发明口罩过滤效果优于对比例，8小时后过滤效果并未发生明显下降，而对比例则已显著下降。另外。吸气阻力相对来说提高幅度小，细菌、病毒过滤性能下降程度小。
上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合防护杀毒口罩，其特征在于，包括纳米复合材料杀菌布层和滤纸层；
其中，所述纳米复合材料杀菌布层包括氧化锌颗粒、有机短纤维和活性炭纤维；所述滤纸层由棉浆纤维、天丝纤维、龙须草纤维组成。
2.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述氧化锌颗粒与有机短纤维的总重量占纳米复合材料杀菌布层的质量分数为4.9-6.25％。
3.根据权利要求2所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述氧化锌颗粒与有机短纤维的重量比为7-8:2-3。
4.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述氧化锌颗粒粒径范围为200nm-5μm。
5.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述活性炭纤维是指封装氧化锌颗粒的活性炭纤维布。
6.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述有机短纤维为涤纶短纤维。
7.根据权利要求6所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述涤纶短纤维的长度范围为1mm-10mm。
8.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述滤纸层中棉浆纤维：天丝纤维：龙须草纤维的重量比为5-15:70-85:5-15。
9.根据权利要求1所述的复合防护杀毒口罩，其特征在于，所述复合防护杀毒口罩还包括两层无纺布层，其结构为从外到内依次为：
第一层：无纺布层；第二层：纳米复合材料杀菌布层；第三层：滤纸层；第四层：无纺布层。
10.根据权利要求1-9任一项所述的复合防护杀毒口罩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纳米复合材料杀菌布层制备：取水性聚氨酯乳液、纳米氧化锌、有机短纤维、光引发剂、渗透剂制备复合乳液，将活性碳纤维布加入至复合乳液中，用超声波震荡；制备抗菌无纺布样品，对样品进行热定型、光固化；碳纤维布上附着了有机短纤维和纳米氧化锌颗粒后，将碳纤维布缝制为封闭状口袋，最终获得纳米复合材料杀菌布层；
(2)滤纸层制备：取漂白棉浆板、丝光化针叶浆板、龙须草浆板和天丝纤维混合打浆，打浆后抄造纸页，烘干后得滤纸层；
(3)从外到内按照如下次序进行口罩组装：无纺布层、纳米复合材料杀菌布层、滤纸层、无纺布层，得上述复合防护杀毒口罩。
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