CN111973903A - 一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩 - Google Patents

一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，包括滤芯和外部保护层，所述滤芯位于外部保护层中，所述滤芯包括正摩擦层和负摩擦层，所述正摩擦层和负摩擦层在呼气时分离，在吸气时贴合；所述正摩擦层还通过导线与外接的电荷泵部分的正极相连，所述负摩擦层还通过导线与所述电荷泵部分的负极相连；所述电荷泵部分用于为所述滤芯输送电荷。本发明能够提高口罩的过滤性能，且无需持续通电。

Description

一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩
技术领域
本发明涉及医疗防护技术领域，特别是涉及一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩。
背景技术
2020年新型冠状病毒(COVID-19)爆发，其传染速度较快，传播途径较广，感染人群较多，目前认为，飞沫传播和接触传播是新型冠状病毒的主要传播途径。因此，采取必要的防护手段至关重要。现阶段较为有效的防护措施为佩戴口罩，口罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用，可有效的防止病毒通过呼吸道进入肺部，引发疾病。传统工艺生产的静电吸附口罩，仅限于利用驻极体制成内层滤芯，并通过电晕放电向驻极体充电，提高其吸附能力，然而驻极体中电荷极易流失，口罩过滤效率下降迅速。
现有专利文献CN206604639U公开的口罩，其净化组件由两层铜导电网板组成，两层网板间彼此绝缘；将净化组件与直流电源连接，从而增强过滤效率，然而其不具有储存电荷功能，电荷很快从导电网板中流失，电荷保持性能较差，需持续接通外电源，且佩戴舒适性较差。现有文献(Adv.Funct.Mater.2018,28,1706680)提出一种新型摩擦电空气净化器，然而此装置对PM2.5这种较大颗粒过滤效率较高，对粒径小于0.3μm的颗粒过滤效率不佳。因此，亟需开发一种既具有高过滤效率，又无需持续接通外电源的口罩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，能够提高口罩的过滤性能，且无需持续通电。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，包括滤芯和外部保护层，所述滤芯位于外部保护层中，所述滤芯包括正摩擦层和负摩擦层，所述正摩擦层和负摩擦层在呼气时分离，在吸气时贴合；所述正摩擦层还通过导线与外接的电荷泵部分的正极相连，所述负摩擦层还通过导线与所述电荷泵部分的负极相连；所述电荷泵部分用于为所述滤芯输送电荷。
所述正摩擦层由导电布构成，并在所述导电布的四周粘合有绝缘透气布料。
所述负摩擦层由表面具有碳氟纳米纤维的导电布构成。
所述负摩擦层的制备方式为：将导电布粘贴至单辊机上，经静电纺丝装置，正负高压电源将纺丝液静电喷射成丝，通过调控单辊机转速和纺丝时间，得到表面具有碳氟纳米纤维膜的导电布。
所述正负高压电源的电压为16-18kV；所述单辊机的转速为30-50rad/min；所述纺丝时间为40-60min。
所述碳氟纳米纤维为聚偏二氟乙烯纳米纤维。
所述电荷泵部分包括锂电池、二极管和电容器，所述锂电池的正极与所述二极管的正极相连，所述二极管的负极与所述正摩擦层连接；所述锂电池的负极与所述负摩擦层连接；所述锂电池的正极和负极之间还连接有所述电容器。
所述锂电池的电压为3.7V，所述二极管的整流电流为1A，耐压值为1000V，所述电容器的电容量为25nf。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明基于电荷泵原理设计的摩擦电口罩，能够实现高过滤效率，无需持续接通外电源，并且制备简便，用材低廉，佩戴舒适。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作原理示意图；
图3是本发明的过滤效率图，其中1为实施例1的过滤效率，2为实施例2的过滤效率；
图4是本发明与对比例的过滤效率图，其中1为外接电荷泵的口罩过滤效率，2为不接电荷泵的口罩过滤效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，如图1所示，包括滤芯和外部保护层，所述滤芯位于外部保护层中，所述滤芯包括正摩擦层和负摩擦层，所述正摩擦层和负摩擦层在呼气时分离，在吸气时贴合；所述正摩擦层还通过导线与外接的电荷泵部分的正极相连，所述负摩擦层还通过导线与所述电荷泵部分的负极相连。其中，电荷泵部分用于为内层的滤芯输送电荷。
本实施方式的正摩擦层由纯导电布构成，该导电布尺寸至少为15cm×15cm，并在四边粘合宽度至少为0.5cm的绝缘透气布料，该绝缘透气布料为涤纶布料，如此既能保持其透气性，又能防止正摩擦层与负摩擦层的导电布接触而造成的短路。
本实施方式的负摩擦层由表面具有碳氟纳米纤维膜的导电布构成。该导电布尺寸至少为15cm×15cm，将其粘贴至单辊机上，经静电纺丝装置，正负高压电源将纺丝液静电喷射成丝，调控单辊机转速和纺丝时间，得到表面具有碳氟纳米纤维膜的导电布。其中，碳氟纳米纤维静电纺丝电压一般为16-18kV；单辊机转速V1为30-50rad/min；纺丝时间40-60min。碳氟纳米纤维优选聚偏二氟乙烯(PVDF)纳米纤维，导电布优选柔软薄款平纹电磁屏蔽布。
本实施方式的外部保护层为商用无纺布，优选PP无纺布。
本实施方式的电荷泵部分包括锂电池、二极管和电容器，所述锂电池的正极与所述二极管的正极相连，所述二极管的负极与所述正摩擦层连接；所述锂电池的负极与所述负摩擦层连接；所述锂电池的正极和负极之间还连接有所述电容器。其中，锂电池优选电压为 3.7V，二极管优选整流电流1A，耐压值1000V的硅整流二极管，电容器优选电容量25nf。
本实施方式借助静电吸附的原理如图2所示，人佩戴口罩的呼吸过程中，气流通过外部保护层会产生一定的气压。在受到来自于口腔的吸气和吹气过程中，就会使得正摩擦层和负摩擦层接触和分离，这样就会在两个材料之间产生相对运动，所以就会由于静电摩擦产生电荷吸附，再通过电荷泵为其增加电荷，能够保证小颗粒被滤芯有效吸附，从而提高口罩过滤效率。
下面通过具体的实施例来进一步说明本发明。本实施例中的原料及试剂来源：PVDF (分子量Mw＝15.0×104，阿拉丁试剂)；N,N-二甲基甲酰胺(化学纯，国药试剂)；锂电池(3.7V)、二极管(1N4007)、电容器(25nf)，过滤效率采用便携式过滤效率测试仪进行测试。
实施例1：
在静电纺丝区域内，以导电布作为基底，用N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液溶解 PVDF(12wt％)配制成纺丝液，在16kV的电压，单辊机转速为30rad/min的条件下进行纺丝，纺丝时间控制在40min，得到PVDF纳米纤维，按照口罩制备方式进行口罩制备，接上电荷泵部分，3分钟后除去锂电池，利用便携式过滤效率测试仪进行测试，测试结果如图3中1所示，其PM0.3的过滤效率约为90％。
实施例2
在静电纺丝区域内，以导电布作为基底，用N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液溶解 PVDF(12wt％)配制成纺丝液，在17kV的电压，单辊机转速为50rad/min的条件下进行纺丝，纺丝时间控制在60min，得到PVDF纳米纤维，按照口罩制备方式进行口罩制备，接上电荷泵部分，3分钟后除去锂电池，利用便携式过滤效率测试仪进行测试，测试结果如图3中2所示，其PM0.3的过滤效率达到了95％。
对比例1
在静电纺丝区域内，以导电布作为基底，用N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液溶解 PVDF(12wt％)配制成纺丝液，在18kV的电压，单辊机转速V1为50rad/min的条件下进行纺丝，纺丝时间控制在60min，得到PVDF纳米纤维，按照口罩制备方式进行口罩制备，接上电荷泵部分，3分钟后除去锂电池，利用便携式过滤效率测试仪进行测试(见图 4中的1)，作为对比，省去外接电荷泵，利用便携式过滤测试仪进行测试，(见图4中的2)，由此可见，外接电荷泵时的过滤效率明显高于不接电荷泵的口罩。
不难发现，本发明基于电荷泵原理设计的摩擦电口罩，能够实现高过滤效率，无需持续接通外电源，并且制备简便，用材低廉，佩戴舒适。

Claims (8)

1.一种基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，包括滤芯和外部保护层，所述滤芯位于外部保护层中，其特征在于，所述滤芯包括正摩擦层和负摩擦层，所述正摩擦层和负摩擦层在呼气时分离，在吸气时贴合；所述正摩擦层还通过导线与外接的电荷泵部分的正极相连，所述负摩擦层还通过导线与所述电荷泵部分的负极相连；所述电荷泵部分用于为所述滤芯输送电荷。
2.根据权利要求1所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述正摩擦层由导电布构成，并在所述导电布的四周粘合有绝缘透气布料。
3.根据权利要求1所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述负摩擦层由表面具有碳氟纳米纤维的导电布构成。
4.根据权利要求3所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述负摩擦层的制备方式为：将导电布粘贴至单辊机上，经静电纺丝装置，正负高压电源将纺丝液静电喷射成丝，通过调控单辊机转速和纺丝时间，得到表面具有碳氟纳米纤维膜的导电布。
5.根据权利要求4所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述正负高压电源的电压为16-18kV；所述单辊机的转速为30-50rad/min；所述纺丝时间为40-60min。
6.根据权利要求3所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述碳氟纳米纤维为聚偏二氟乙烯纳米纤维。
7.根据权利要求1所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述电荷泵部分包括锂电池、二极管和电容器，所述锂电池的正极与所述二极管的正极相连，所述二极管的负极与所述正摩擦层连接；所述锂电池的负极与所述负摩擦层连接；所述锂电池的正极和负极之间还连接有所述电容器。
8.根据权利要求7所述的基于电荷泵原理的高过滤效率摩擦电口罩，其特征在于，所述锂电池的电压为3.7V，所述二极管的整流电流为1A，耐压值为1000V，所述电容器的电容量为25nf。
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