CN111685420A - 一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料为中间过滤层的一次性口罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料替代口罩用熔喷布的一次性口罩及其制备方法，属于造纸技术领域及医疗卫生材料领域。一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩，包括口罩面层，连接在口罩面层竖直边上的挂耳带和嵌于口罩上沿内部中间位置的鼻梁夹；口罩面层由外到内分别为无纺布层、纳米纤维覆膜纸基过滤材料层和亲肤布层。其中最外层由防水、防喷溅的材质构成；最内侧一层由防潮和吸水的材质构成；而中间层也是口罩的核心层，是由纳米纤维覆膜纸基过滤材料作制成，具有吸附和过滤细颗粒物及病毒、病原微生物的功能。这种新型口罩生产成本低，原料广泛，同时中间层为纸基材料，具有无毒无害，可降解的特点。

Description

一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料为中间过滤层的一次性 口罩
技术领域
本发明涉及一种一次性口罩及其制备方法，特别是一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料替代口罩用熔喷布的一次性口罩及其制备方法，属于造纸技术领域及医疗卫生材料领域。
背景技术
随着我国生产生活水平的提高，人们对于健康和环境保护的要求越来越高。但是，我国是一个发展中的大国，正处于加速发展的工业化时期，钢铁、煤炭、水泥、电力等的产量及消费都已居世界前列。由于这些重工业，能源工业，原材料工业的快速发展，相应环境污染问题较为突出，给我们的身心健康带来严重的影响。在公共场所，或者通风不好的室内(病房和公共设施场所)，空气粉尘和细菌的污染尤为严重，佩戴口罩减少污染物对身体的伤害尤为重要。
2020年初新型冠状肺炎疫情爆发，口罩成为预防新型冠状病毒传染的最为重要的防护用品，特别是一次性医用防护口罩，对阻隔病毒的传播起到重要作用。但是由于疫情的严峻，口罩在世界范围内成为紧缺物资。熔喷布作为一次性防护口罩过滤环节的关键材料，堪称医用外科口罩和N95口罩的“心脏”。据央视报道，疫情期间由于口罩需求量的大幅增加，熔喷布的供应也变得非常紧张，其价格也水涨船高，出现“一布难求”，“一布天价”的情况。“一布难求”表现在熔喷布供不应求、现货紧张，口罩厂商买不到足够的熔喷布而影响口罩生产；“一布天价”则表现现在熔喷布从疫情前每吨2万元，涨到每吨30万到40万元，直接推高了口罩的生产成本和销售价格。
CN201610034279.4公开了一种PM2.5防护口罩用过滤纸及其制备方法。滤纸基材主要由下列重量份的原料制备成：天丝纤维25～40、聚酯纤维20～35、碳酸钙填料30～40、双元助留剂共0.1～0.3、聚酰胺多胺环氧氯丙烷树脂0.3～0.8。其特征在于：先抄造出高加填量且结构致密的滤纸基材，经回湿后进入超级压光机，再依次经稀酸浸渍处理、水浸脱酸、干燥整形制成。采用湿法成型和超级压光技术抄造出致密的基材，高加填与稀酸处理工艺相结合，来构建静态的亚微米级的孔径；同时用填料来调控滤纸的孔径分布及孔隙率，进而实现过滤阻力的可调控，同时满足PM2.5防护口罩用过滤纸高效、低阻的要求。发明主要是以化学纤维为主，存在难以降解的问题，且天丝纤维和聚酯纤维都不是较好的驻极纤维，从而造成静电不足，影响过滤效率。
CN201610428539.6公开的用于防雾霾口罩的大麻根部韧皮过滤纸的制备方法，其步骤是依次将大麻根部韧皮经过切断、蒸煮、漂白、疏解、打浆、抄造、压榨、烘干。将比较粗硬的大麻根部韧皮制成具有较好的厚度、定量、孔径和孔隙率的大麻根部韧皮过滤纸，实现了废弃纺织品的重新利用。制得的大麻根部韧皮过滤纸对0.26μm、15.6mg/m3密度和2％浓度的NaCl气溶胶颗粒的过滤效率高达99.94％-100％，因此具有较好的空气颗粒过滤效率，可以应用在防雾霾口罩方面，具有高效的过滤效果，市场应用前景广阔。该发明全部使用大麻根纤维为原料，植物纤维原料单一，且没有驻极纤维，造成大麻根部韧皮过滤纸静电效果差。且植物纤维具有吸湿性，全部植物纤维过滤纸在潮湿环境下会降低使用效果。
中国专利文献CN 104289042 A(申请号201410452788.X)公开了一种静电纺纳米纤维驻极过滤材料及其制备方法,在静电纺丝过程中通过控制聚合物溶液组分与温度、纳米纤维成型“快速冷却”过程，一步成型制备纤维间无粘连、蓬松的三维网状互通结构的高效、低阻纳米纤维驻极过滤材料。但是静电纺丝存在产量小、物理机械性能较差等方面的限制，其所得的纳米纤维材料应用主要侧重于高附加值、低用量、高精密度的相关领域。
发明内容
本发明针对上述聚丙烯熔喷布产量少，成本高，污染环境和生物有害等问题、以及口罩用过滤纸存在的问题，提供一种操作简单、成本低廉替代的使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料为中间过滤层的一次性口罩的制造方法，用以制得品质优良、驻极电压高、空气过滤效率强、空气阻力低、环保无污染的替代传统聚丙烯熔喷布一次性口罩。
本发明技术方案如下：
一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩，包括口罩面层，连接在口罩面层竖直边上的挂耳带和嵌于口罩面层上沿内部中间位置的鼻梁夹。所述的口罩面层由外到内分别为外层无纺布层、纳米纤维覆膜纸基过滤材料层和亲肤布层。其中最外层由防水、防喷溅的材质构成；最内侧一层(亲肤布层)是白色的或者浅色，这层是由防潮和吸水的材质构成；而中间层也是口罩的核心层，是由纳米纤维覆膜纸基过滤材料作制成，具有吸附和过滤细颗粒物及病毒、病原微生物的功能。
现在市场上颗粒物过滤效率达90％以上的一次性口罩的中间过滤层主要是聚丙烯熔喷布。熔喷布的主要原料是聚丙烯，它是一种半结晶的热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。在工业界有广泛的应用，是一次性防护口罩生产中最重要的原料。但是熔喷布也存在一定的缺点，一是生产成本高，生产量小，二是难以降解，对环境有污染。据统计：废塑料中聚丙烯所占比例约为18％。可见，废塑料中聚丙烯占有相当大的比重。疫情发生之前，口罩使用量较少，废旧口罩的处理方法主要是随同其它垃圾一起掩埋或随意丢弃于自然环境中。这不仅浪费资源，同时对对环境造成极大的污染。由于聚丙烯材料自身分子结构的特点，分子链中存在大量的叔碳原子，此种原子在受到光、氧、热的作用会不同程度的发生老化降解，产生短的碳链被氧化后会释放醛酮类的易挥发性物质，对土壤、空气造成严重污染，对动植物和人类造成严重伤害。本发明使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料，材料来源于纸张，成本远低于熔喷布，而且具有非常好的降解性能，环境友好。
优选的，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩过滤效率为90％-97％；
优选的，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩呼吸阻力为50Pa-210Pa；
优选的，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩其他指标均满足国家标准GB2626-2019；
优选的，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的面罩部分为三层，外层为防水、防喷溅的聚丙烯无纺布，最里层为防潮和吸水的聚丙烯无纺布。所述一次性口罩的中间层为纳米纤维覆膜纸基过滤材料。
进一步优选的，这种纳米纤维覆膜纸基过滤材料由纸基过滤材料原纸和纳米纤维涂料复合而成。优选采用实施例1中的原料和制备方法制备的纳米纤维覆膜纸基过滤材料。所述纳米纤维覆膜纸基过滤材料具有过滤效率高、空气阻力低、环保可降解、静电驻极强、生产成本低的优势。
进一步优选的，根据纸基过滤材料原纸和纳米纤维涂料的制备方案的不同可以制得过滤效率90％-97％的纳米纤维覆膜纸基过滤材料。
优先的，口罩中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料过滤效率为90％-97％，满足KN90和KN95型一次性口罩的过滤效率的国家标准。
优先的，口罩中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料的呼吸阻力为50Pa-210Pa；满足KN90和KN95型一次性口罩的呼吸阻力的国家标准。
口罩中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料，生产工艺简单，生产成本低，可完全代替聚丙烯熔喷布作为口罩中间层材料。以此材料生产口罩具有工艺简单，生产量大，成本低廉，很好的解决目前口罩价格高，产量低，供应紧张的问题。
本发明的使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的物理指标如下表1所示：
表1一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的物理指标
指标 本发明口罩物理指标
过滤效率 90.0％-97％
呼吸阻力 50Pa-210Pa
头带拉力 12-18N(持续10s)
连接和连接部件轴向拉力 52-56N，(持续10s)
所述一次性口罩的制备方法，包括下列步骤：
1.原料：外层PP无纺布，纳米纤维覆膜纸基过滤材料，内层PP无纺布，鼻梁条，耳带等材料。
2.生产的设备：口罩打片机，口罩耳带点焊机，口罩包装机。
3.生产流程：将内外层PP无纺布，纳米纤维覆膜纸基过滤材料、鼻梁条原料挂于口罩打片机料架前段原料固定架上，将耳带置于口罩耳带点焊机的超声点焊口，调试机器自动生产程序，首先生产口罩片，外层PP无纺布、纳米纤维覆膜纸基过滤材料、内层PP无纺布三层材料及鼻梁条从机架被牵引复合后至口罩机导轨内，通过口罩体中间的三道折叠后，在热封辊上将口罩面体组合为整体，进入耳挂点焊机，耳挂点焊机采用超声波点焊技术将耳挂点焊在口罩面体两侧。制备成成品口罩。
也可以采用常规生产方法生产一次性口罩，不同之处是中间层为纳米纤维覆膜纸基过滤材料。
有益效果
1.一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的中间过滤层材料使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料替代传统聚丙烯熔喷布过滤层。解决了由于新型冠状病毒疫情发生以来传统口罩供不应求的问题。这种新型口罩生产成本低，原料广泛，同时中间层为纸基材料，具有无毒无害，可降解的特点。
2.纳米纤维覆膜纸基过滤材料，是自主研发的一种新型纸基涂布材料，以纸基过滤材料原纸为基础，涂布纳米材料涂层，经过特殊工艺处理后制得纳米纤维覆膜纸基过滤材料。该材料具有过滤效率高，呼吸阻力低，环保无污染等特点，同时生产成本低，工艺相对简单，生产量大。
3.一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩，可根据中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料的过滤效率不同，可以值得N90和N95等规格的一次性口罩，能够满足日常防护型一次性口罩和医用防护一次性口罩的应用要求。
附图说明
图1从正面观察本发明的纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的俯视图。
图2为纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩的面层的三层结构图。
图3为纳米纤维覆膜纸基过滤材料的解剖层图。
其中，1-面层，2-鼻梁夹，3-耳挂带，4-外层无纺布层，5-纳米纤维覆膜纸基过滤材料,6-内层无纺布，7：纳米纤维覆膜纸基过滤材料纳米涂料层；8：纳米纤维覆膜纸基过滤材料纸基纤维原纸层；9：纳米纤维覆膜纸基过滤材料纳米涂料层。
附图示出本发明的特定的实施方式，不仅包括发明的不可缺少的结构，还包括可选择的和优选的实施方式。
具体实施例
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不限于此。
实施例中本发明的一次性口罩的内外层无纺布、鼻梁夹、耳挂带，均为现在市场一次型口罩用原料。本发明未详述部分，均可采用现有技术。
实施例中中间层过滤材料为纳米纤维覆膜纸基过滤材料，该过滤材料为自主发明的新型过滤材料，为纸基过滤原纸和纳米纤维覆盖膜涂料经过特殊处理后制得的纳米纤维覆膜纸基过滤材料，参见实施例1的制备方法。
过滤效率、呼吸阻力、头带拉力，连接和连接部件轴向拉力均按照GB 2626-2019《呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中标准方法测定。
实施例1
纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.1～0.5份分散剂和0.5～2份纳米纤维材料，再加入20～30份无机驻极体，40～60份聚合物驻极体和10～20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散20分钟。然后依次加入20～40份胶黏剂，5～10份抑菌剂，0.3～0.8份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟即得涂层液。得到的涂层液固含量为8％～12％。
(2)将定量为20～40g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6～8g/m2 g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30～60秒，驻极电压30～60KV。卷取即得。
涂层液配比、制备的具体参数和得到的纳米纤维覆膜纸基过滤材料性能指标如表2所示。
表2
Figure BDA0002547816450000061
Figure BDA0002547816450000071
得到的纳米纤维覆膜纸基过滤材料，感应静电压550-930V，过滤效率>90％。
所述消泡剂是能够降低水、溶液、悬浮液等的表面张力，防止泡沫形成，或使原有泡沫减少或消灭的物质。所述消泡剂为有机硅消泡剂、聚醚消泡剂或高级醇消泡剂中一种或多种。本发明中可以采用市售的消泡剂。
实施例中所述纳米纤维材料为针叶木纳米纤维，按照文献《Determination ofnanocellulose fibril length by shear viscosity measurement》(Tanaka等，《Cellulose》2014年6月)中记载的TEMPO氧化纤维素方法制备。纳米纤维长径比为60，比表面积为5000m2/g。
实施例中所述原纸由东顺集团提供。原纸的物理性质如下：定量为：20-40g/m2，抗张强度为：0.3KN/m-1.0KN/m；湿强度为：15％-30％；过滤效率为：50％-80％；呼吸阻力为：30-70Pa；平均孔径为：30-55μm。
实施例中其他所述试剂或原料等均为普通市售产品。所述聚乙烯醇的指标是：聚合度1700，醇解度99％。
感应静电压采用YG401织物感应式静电测试仪测试，本实验针尖与材料的距离设为2cm，施加10kV高压，30s后停止。
过滤效率和呼吸阻力采用美国TSI8130自动滤料检测仪，本试验设定测试流量为(85±2)L/min。
实施例2
一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的N90日常防护一次性口罩的制备方法。其外形如图1一次性口罩一样，内外层均为与普通口罩相同材料的无纺布，而中间层是纳米纤维覆膜纸基过滤材料，其过滤效率为在85流量下达90％以上，呼吸阻力为53Pa。将三种材料通过一次性口罩制备工艺制备而成。并对该一次性口罩进行物理指标检测分析。如下表3所示：
表3纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的N90日常防护一次性口罩物理指标
指标 GB2626-2019 实施例1
过滤效率 ≥90.0％ 92.3％
呼吸阻力 ≤170Pa 53Pa
头带拉力 10N，持续10s 16N,持续10s
连接和连接部件轴向拉力 50N，持续10s 55N，持续10s
可以在现有的一次性口罩机上，用本发明的纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层、替代熔喷布，可以在不改变现有工艺流程的基础上，生产本发明所述的一次性口罩，可以迅速投入生产且明显节省成本。
实施例3
一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的N95医用防护一次性口罩的制备方法。其外形如图1一次性口罩一样，内外层均为与普通口罩相同材料的无纺布，而中间层是纳米纤维覆膜纸基过滤材料，其过滤效率为在85流量下达95％以上，呼吸阻力为79Pa。将三种材料通过一次性口罩制备工艺制备而成。并对该一次性口罩进行物理指标检测分析。如下表4所示：
表4纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的N95医用防护一次性口罩物理指标
指标 GB2626-2019 实施例2
过滤效率 ≥95.0％ 97.1％
呼吸阻力 ≤210Pa 79Pa
头带拉力 10N，持续10s 17N,持续10s
连接和连接部件轴向拉力 50N，持续10s 53N，持续10s
对比例1
将采用纳米纤维覆膜纸基过滤材料制备的一次性口罩与相同规格市场在售一次性口罩进行对比，各项性能均满足国家标准，但是采用纳米纤维覆膜纸基过滤材料制备的口罩其成本较低，如表5。
表5
样品 实例纸基过滤新材料 市售口罩 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 2.1 1.6 -
过滤效率(％) 98.42 93.18 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 146 54 ≤170Pa
成本(元/个) 0.7 3
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩，包括
口罩面层，
挂耳带，连接在口罩面层竖直边上；和
鼻梁夹，嵌于口罩面层上沿内部中间位置；
所述的口罩面层由外到内分别为无纺布层、纳米纤维覆膜纸基过滤材料层和亲肤布层。
2.如权利要求1所述的一次性口罩，其特征在于，所述一次性口罩的物理指标如下表所示：
指标 口罩物理指标 过滤效率 90.0％-97％ 呼吸阻力 50Pa-210Pa 头带拉力 12-18N(持续10s) 连接和连接部件轴向拉力 52-56N，(持续10s)
3.如权利要求1或2所述的一次性口罩，其特征在于，
所述的口罩面层由外到内分别为无纺布层、纳米纤维覆膜纸基过滤材料层和亲肤布层。
4.如权利要求3所述的一次性口罩，其特征在于，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩过滤效率为90％-97％。
5.如权利要求3所述的一次性口罩，其特征在于，纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为中间过滤层的一次性口罩呼吸阻力为50Pa-210Pa。
6.如权利要求3所述的一次性口罩，其特征在于，所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料由纸基过滤材料原纸和纳米纤维涂料复合而成。
7.如权利要求3所述的一次性口罩，其特征在于，口罩中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料过滤效率为90％-97％；口罩中间层纳米纤维覆膜纸基过滤材料的呼吸阻力为50Pa-210Pa。
8.如权利要求1-7任一项所述的一次性口罩的制备方法，包括下列步骤：
将内外层PP无纺布，纳米纤维覆膜纸基过滤材料、鼻梁条原料挂于口罩打片机料架前段原料固定架上，将耳带置于口罩耳带点焊机的超声点焊口，
调试机器自动生产程序，首先生产口罩片，
外层PP无纺布、纳米纤维覆膜纸基过滤材料、内层PP无纺布三层材料及鼻梁条从机架被牵引复合后至口罩机导轨内，通过口罩体中间的三道折叠后，在热封辊上将口罩面体组合为整体，
进入耳挂点焊机，耳挂点焊机采用超声波点焊技术将耳挂点焊在口罩面体两侧。制备成成品口罩。
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