CN111772269B

CN111772269B - 一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩及其制备方法

Info

Publication number: CN111772269B
Application number: CN202010669781.9A
Authority: CN
Inventors: 罗绍华; 闫绳学; 王庆; 张亚辉; 刘忻; 冯建; 李鹏伟; 张琳
Original assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Current assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-07-13
Also published as: CN111772269A

Abstract

本发明提供了一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，涉及医护及防疫用品技术领域。从贴合皮肤的一侧起，依次包括亲肤内层、PP纤维网过滤层、超电层、以及无纺布外层；所述超电层包括两层碳布电极及其中间夹着的一层网格电解质。本发明采用可充电高电量柔性超级电容器电极材料作为口罩过渡层复合材料，具有良好的阻隔细菌、病毒、飞沫、气溶胶及雾霾颗粒物的功能。

Description

一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩及其制备方法

技术领域

本发明涉及医护及防疫用品技术领域，尤其是涉及一种可循环使用的医用口罩及其制备方法。

背景技术

在2020年年初爆发的新冠肺炎病毒爆发以来，口罩作为基本防疫用品，供不应求，甚至一线医护人员都缺少口罩防护，民众因买不到口罩而无法出行、工作。我国口罩最大产能为每日2000万只，而现在的市场需求是每日约10亿只，供需相差50倍。

在常规材料及工艺优化条件下，通过中间层材料的驻极处理，即将PP晶体变为驻极体的过程，具有驻极体特性的PP纤维可以在外界不存在电场的情况下，保持电极化并在其周围永久地连续形成电场的物质，强化了静电吸附作用，让纤维带上电荷，用静电捕获病毒所在的气溶胶，同时驻极体材料对微生物还有一定的抑制与灭杀作用。

总之，经驻极处理的PP纤维网既有高孔隙率和小孔径的弯曲孔道特性，又有静电特性，兼有灭菌特性，实现了机械截获(35％)、静电捕获(60％以上)及灭菌的多重作用，过滤效率可达95％以上，呈现低阻和高效特性，满足了口罩对颗粒及病原体的滤过能力和口罩佩戴的舒适性。

但是，对过滤率起重要作用的静电捕获机理，是通过驻极体纤维所带表面静电电荷量起作用的，在现有工艺下电荷量是一个定值。随着口罩佩戴时间的延长，口罩中起到主要吸附作用的静电吸附层遇水后容易失效，而人的呼吸蒸汽中含有大量的水蒸气，当佩戴一定时间后，口罩中积累的水蒸气会造成口罩失效，表面电荷消耗，表面电势衰减，过滤率快速降低，失去阻挡病毒的作用。延长中间层过滤材料静电吸附作用寿命，或提出新的静电作用产生方法是一个重要和具有现实迫切的需求。

CN109077372A提供了一种可充电式防霾防PM2.5抗菌口罩滤芯，解决了传统非静电口罩使用周期短、过滤效率低，静电类口罩静电量稳定性差、静电易被中和、寿命短的缺陷，提供一种可让静电滤芯反复充电后多次使用的一种方法。但是所述可重复充电口罩需要充电6分钟，并且充电电压为7kV。过高的电压具有一定的危险性，并且充电时间过长，不利于紧急时期对口罩的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩及其制备方法。本发明采用可充电高电量柔性超级电容器电极材料作为口罩过渡层复合材料，具有良好的阻隔细菌、病毒、飞沫、气溶胶及雾霾颗粒物的功能。

本发明的技术方案如下：

一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，从贴合皮肤的一侧起，依次包括亲肤内层、PP纤维网过滤层、超电层、以及无纺布外层；所述超电层包括两层碳布电极及其中间夹着的一层网格电解质；

S1、所述碳布电极的制备步骤包括：

S1-1：将碳毡CF用丙酮和去离子水洗涤数遍以去除表面杂质，然后将CF浸没于4～6M KOH溶液中静置20～40分钟，使得KOH溶液充分浸润CF；

S1-2：将步骤S1-1得到的CF样品放入深冷冰箱，在-30～-50℃温度下冷冻12～36h后转入冷冻真空干燥机，以-70～-90℃的温度冷冻干燥12～36h；

S1-3：将步骤S1-2得到的产物转入高温管式炉进行煅烧，在高纯氮氛围下以2～4℃min^-1的升温速率升至700～900℃煅烧1～3h，完成煅烧过程后缓慢冷却至室温；

S1-4：将步骤S1-3得到的样品用去离子水和乙醇交替洗涤数次，直至样品呈中性，得到的活化碳毡ACF，放入80～120℃的真空干燥箱静置干燥后，即得到所述碳布电极；

S2、所述网格电解质的制备步骤包括：

S2-1：将20～40mL的去离子水加热到80～100℃，然后将2～4g的聚乙烯醇在搅拌下慢慢加入到加热的水中，一直搅拌直至出现澄清的凝胶，得到PVA凝胶；

S2-2：将包含2～4g的高度浓缩的KOH加入到已经冷却的PVA凝胶中继续强力搅拌，直至KOH和PVA溶解在一起，得到PVA-KOH凝胶电解质，涂覆至所述碳布电极后即为网格电解质；所述高度浓缩的KOH的浓度为5-6M；

S3、所述超电层的制备步骤包括：

S3-1：将步骤S1制备得到的碳布电极裁剪成口罩的大小和形状；

S3-2：然后将步骤S2制备得到的凝胶电解质通过丝网印刷的方式，均匀涂抹至一层步骤S3-1得到的碳布电极上，使其成网状；

S3-3：在步骤S3-2得到的网状的网格电解质上覆盖另一层步骤S3-1得到的碳布电极，并用医用纱布封装起来，即得到超电层。

优选的，所述碳毡采用商用碳毡，体积密度在1.0-2.0g/cm³。

优选的，所述亲肤层即吸湿层，选用医用纱布，或者由纺粘非织造布借助纤维之间热粘合固化成型的方法制备得到。

优选的，所述PP纤维网过滤层相当于普通医用口罩的熔喷无纺布细菌过滤层，通过聚丙烯经过熔融挤压，熔喷细流拉伸的步骤制备而成。

优选的，所述基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩还包括充电用的充电线，可以多次充电补充网格电解质中流失的电荷；所述充电线的正负极分别位于所述碳布电极的端部。

优选的，所述可循环使用的医用口罩在充电后重复使用；充电电压为2V，充电电流为2A，充电时间为10-60秒。

本发明有益的技术效果在于：

本发明口罩中，用于起到阻隔滤片作用的中部层包括静电无纺布层，即所述PP纤维网过滤层和超电层双重保护。其中，超电层又成为超电过滤层，其中含有大量的充电电荷并且可以重复充电补齐消失的电荷，避免了医用口罩静电消失失去杀菌功效的弊端，可以更方便地进行抑菌消杀和防护，尤其是能够科学地延长口罩的使用时间，达到医用口罩循环应用的功效，从而大幅节省生产人工及原材料的大量浪费和对自然资源的有效保护，同时也可避免因此造成的丢弃后二次环境污染。

为了保证口罩整体的透气性，本发明把PVA-KOH凝胶电解质通过丝网印刷的方法做成网状结构。本发明对碳毡的冷冻干燥避免了传统干燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象，干燥后的物质疏松多孔，由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。根据公式：电荷量(Q)＝电流(I)x时间(T)，口罩可以通过充电过程源源不断的提供电荷，避免了因时间过久口罩细菌过滤层电荷量的消失使过滤效果降低的问题。

本发明所提供的口罩结构紧凑、自重较轻，可以较长时间佩戴；能够兼顾可穿戴设备美观、功能、环保等多方面设计要求，并能迅速缓解供需矛盾，满足市场急需。本发明既可实现口罩一次性高效使用，也可通过引入微型柔性快速充电电路实现口罩多次使用、减少资源消耗的目标，且充电电压低、时间短，在疫情应急的情况下十分便利。

附图说明

图1为本发明口罩的结构示意图；

图2为本发明超电层结构图及充电导线接口的设置；其中，碳毡层即所述碳布电极，凝胶电解质即所述网格电解质；

图3为本发明超电层充放电曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下述实施例中，所用的碳毡为商用碳毡，型号为CCM-190C。具体参数如下表1所示：

表1

所用亲肤层即吸湿层，选用普通医用纱布，所用PP纤维网过滤层采用普通医用口罩的熔喷无纺布细菌过滤层。涉及到的电极、电线等电力设备均采用普通商用产品。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，从贴合皮肤的一侧起，依次包括亲肤内层、PP纤维网过滤层、超电层、以及无纺布外层；所述超电层包括两层碳布电极及其中间夹着的一层网格电解质；

S1、所述碳布电极的制备步骤包括：

S1-1：将碳毡CF用丙酮和去离子水洗涤数遍以去除表面杂质，然后将CF浸没于4MKOH溶液中静置40分钟，使得KOH溶液充分浸润CF；

S1-2：将步骤S1-1得到的CF样品放入深冷冰箱，在-30℃温度下冷冻36h后转入冷冻真空干燥机，以-70℃的温度冷冻干燥36h；

S1-3：将步骤S1-2得到的产物转入高温管式炉进行煅烧，在高纯氮氛围下以2℃min^-1的升温速率升至700℃煅烧3h，完成煅烧过程后缓慢冷却至室温；

S1-4：将步骤S1-3得到的样品用去离子水和乙醇交替洗涤数次，直至样品呈中性，得到的活化碳毡ACF，放入80℃的真空干燥箱静置干燥后，即得到所述碳布电极；

S2、所述网格电解质的制备步骤包括：

S2-1：将20mL的去离子水加热到80℃，然后将2g的聚乙烯醇在搅拌下慢慢加入到加热的水中，一直搅拌直至出现澄清的凝胶，得到PVA凝胶；

S2-2：将包含2g浓度为6M的高度浓缩的KOH加入到已经冷却的PVA凝胶中继续强力搅拌，直至KOH和PVA溶解在一起，得到PVA-KOH凝胶电解质，涂覆至所述碳布电极后即为网格电解质；

S3、所述超电层的制备步骤包括：

S3-1：将步骤S1制备得到的碳布电极裁剪成口罩的大小和形：长方形(16×11cm)；

如图2所示，上述制备的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩还包括充电用的充电线，充电线的正负极分别位于所述碳布电极的端部。本可循环使用的医用口罩在充电后重复使用；充电电压为2V，充电电流为2A，充电时间为10-60秒。

实施例2：

S1、所述碳布电极的制备步骤包括：

S1-1：将碳毡CF用丙酮和去离子水洗涤数遍以去除表面杂质，然后将CF浸没于5MKOH溶液中静置30分钟，使得KOH溶液充分浸润CF；

S1-2：将步骤S1-1得到的CF样品放入深冷冰箱，在-40℃温度下冷冻24h后转入冷冻真空干燥机，以-80℃的温度冷冻干燥24h；

S1-3：将步骤S1-2得到的产物转入高温管式炉进行煅烧，在高纯氮氛围下以3℃min^-1的升温速率升至800℃煅烧2h，完成煅烧过程后缓慢冷却至室温；

S1-4：将步骤S1-3得到的样品用去离子水和乙醇交替洗涤数次，直至样品呈中性，得到的活化碳毡ACF，放入100℃的真空干燥箱静置干燥后，即得到所述碳布电极；

S2、所述网格电解质的制备步骤包括：

S2-1：将30mL的去离子水加热到90℃，然后将3g的聚乙烯醇在搅拌下慢慢加入到加热的水中，一直搅拌直至出现澄清的凝胶，得到PVA凝胶；

S2-2：将包含3g浓度为5M的高度浓缩的KOH加入到已经冷却的PVA凝胶中继续强力搅拌，直至KOH和PVA溶解在一起，得到PVA-KOH凝胶电解质，涂覆至所述碳布电极后即为网格电解质；

S3、所述超电层的制备步骤包括：

S3-1：将步骤S1制备得到的碳布电极裁剪成口罩的大小和形状：长方形(16×11cm)；

实施例3：

S1、所述碳布电极的制备步骤包括：

S1-1：将碳毡CF用丙酮和去离子水洗涤数遍以去除表面杂质，然后将CF浸没于6MKOH溶液中静置20分钟，使得KOH溶液充分浸润CF；

S1-2：将步骤S1-1得到的CF样品放入深冷冰箱，在-50℃温度下冷冻12h后转入冷冻真空干燥机，以-90℃的温度冷冻干燥12h；

S1-3：将步骤S1-2得到的产物转入高温管式炉进行煅烧，在高纯氮氛围下以4℃min^-1的升温速率升至900℃煅烧1h，完成煅烧过程后缓慢冷却至室温；

S1-4：将步骤S1-3得到的样品用去离子水和乙醇交替洗涤数次，直至样品呈中性，得到的活化碳毡ACF，放入120℃的真空干燥箱静置干燥后，即得到所述碳布电极；

S2、所述网格电解质的制备步骤包括：

S2-1：将40mL的去离子水加热到100℃，然后将4g的聚乙烯醇在搅拌下慢慢加入到加热的水中，一直搅拌直至出现澄清的凝胶，得到PVA凝胶；

S2-2：将包含4g浓度为6M的高度浓缩的KOH加入到已经冷却的PVA凝胶中继续强力搅拌，直至KOH和PVA溶解在一起，得到PVA-KOH凝胶电解质，涂覆至所述碳布电极后即为网格电解质；

S3、所述超电层的制备步骤包括：

测试例：

实验对象：采用市场上的一次性医用外科口罩作为对照组一、医用脱脂纱布口罩作为对照组二、本发明实施例1制成的口罩作为实验组。

实验要求：上述三组口罩的体积一致、面积一致，模拟压力一致。

实验方法：通过对市场上的一次性医用外科口罩、医用脱脂纱布口罩和本发明实施例2制成的口罩进杀菌率、阻力和强度实验，并记录情况。同时对佩戴4h、8h以及12h之后进行了同项目的测试。

实验组超电层每次实验前进行充电步骤，充电电压为2V，充电电流为2A，充电时间为20秒。确保超电层具有足够电荷，以此来测试二次医用口罩在多次使用后的效果。具体结果如下表2-4所示：

表2佩戴4h之后测试数据

表3佩戴8h之后测试数据

表4佩戴12h之后测试数据

项目组别	具体指标	对照组一	对照组二	实验组
					杀菌率	金黄色葡萄球菌	40.1	39.6	90.8
	大肠杆菌	39.2	40.2	90.1
						白色念珠菌	41.4	40.1	89.9
阻力	吸气阻力(Pa)	39.7	38.2	39.1
						呼气阻力(Pa)	20.1	20.9	20.0
强度	拉伸轻度MD(MPa)	7.2	10.9	11.1
						拉伸强度TD(MPa)	4.1	8.0	8.9

结合上表，对比市场上一次性医用外科口罩、医用脱脂纱布口罩和本发明实施例1制成的口罩在相同的实验方法下所得的结果，本发明口罩的测试数据均处在明显优势，因此，体现出本发明口罩细菌过滤效率高，呼吸阻力小和拉伸强度高的优点。并且在二次充电之后口罩依然保持原有的过滤效率。

图3为超电过滤层在2A/g电流密度下的充放电曲线，可以看出充放电曲线保持了高度的对称型，显示出标准的三角形轮廓，这是典型的双电层电容特征。基于以下充放电曲线，通过计算ACF的比电容Cs，在2A/g的电流密度下，ACF电极的比容量为89.2F/g。可以提供大量电荷以弥补口罩佩戴过程中电荷量的损失。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：

从贴合皮肤的一侧起，依次包括亲肤内层、PP纤维网过滤层、超电层、以及无纺布外层；所述超电层包括两层碳布电极及其中间夹着的一层网格电解质；

S1、所述碳布电极的制备步骤包括：

S1-1：将碳毡CF用丙酮和去离子水洗涤数遍以去除表面杂质，然后将CF浸没于4~6 MKOH溶液中静置20~40分钟，使得KOH溶液充分浸润CF；

S1-2：将步骤S1-1得到的CF样品放入深冷冰箱，在-30~-50℃温度下冷冻12~36 h后转入冷冻真空干燥机，以-70~-90℃的温度冷冻干燥12~36 h；

S1-3：将步骤S1-2得到的产物转入高温管式炉进行煅烧，在高纯氮氛围下以2~4 ℃min^-1的升温速率升至700~900℃煅烧1~3 h，完成煅烧过程后缓慢冷却至室温；

S1-4：将步骤S1-3得到的样品用去离子水和乙醇交替洗涤数次，直至样品呈中性，得到的活化碳毡ACF，放入80~120℃的真空干燥箱静置干燥后，即得到所述碳布电极；

S2、所述电解质的制备步骤包括：

S2-1：将20~40 mL的去离子水加热到80~100℃，然后将2~4 g的聚乙烯醇在搅拌下慢慢加入到加热的水中，一直搅拌直至出现澄清的凝胶，得到PVA凝胶；

S2-2：将包含2~4 g的高度浓缩的KOH加入到已经冷却的PVA凝胶中继续强力搅拌，直至KOH和PVA溶解在一起，得到PVA-KOH凝胶电解质；所述高度浓缩的KOH的浓度为5-6 M；

S3、所述超电层的制备步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：所述碳毡采用商用碳毡，体积密度在1.0-2.0g/cm³。

3.根据权利要求1所述的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：所述亲肤内层即吸湿层，选用医用纱布，或者由纺粘非织造布借助纤维之间热粘合固化成型的方法制备得到。

4.根据权利要求1所述的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：所述PP纤维网过滤层相当于普通医用口罩的熔喷无纺布细菌过滤层，通过聚丙烯经过熔融挤压，熔喷细流拉伸的步骤制备而成。

5.根据权利要求1所述的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：还包括充电用的充电线，可以多次充电补充网格电解质中流失的电荷；所述充电线的正负极分别位于所述碳布电极的端部。

6.根据权利要求1或5所述的基于柔性超电结构的可循环使用的医用口罩，其特征在于：所述可循环使用的医用口罩在充电后重复使用；充电电压为2V，充电电流为2 A，充电时间为10-60秒。