CN113134267B - 一种具有多层结构的热舒适性过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多层结构的热舒适性过滤材料及其制备方法。本发明通过对材料的选择以及对结构的设计，成功实现了个人防护口罩在具有高过滤效率和低过滤阻力的同时，还具有高的红外透过率，允许人体发射的红外透过，降低人体的闷热感。本发明的具有多层结构的热舒适性过滤材料的制备方法操作简单，成本较低，应用前景广阔。

Description

一种具有多层结构的热舒适性过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能过滤材料领域，具体涉及一种具有多层结构的热舒适性过滤材料及其制备方法。
背景技术
在日常生活中，存在很多需要长时间佩戴口罩的场合，但是长时间佩戴传统商业口罩会造成脸部闷热不适，对人体健康造成伤害，甚至会对老人和小孩的生命造成威胁。目前，已有研究人员在热舒适性纺织面料领域做了大量工作，但是在热舒适性过滤防护材料领域，研究相对较少，还未有适用于产业化生产的相关技术。
研究发现，在无剧烈运动的时候，人体以红外辐射向外界散发的热量占人体总散发热量的50％以上，所以设计一种具有较高红外透过率的过滤材料用于防护口罩的制备，会大大减轻人体脸部因长时间佩戴口罩带来的闷热不适感，并且提高人们的工作效率，减轻对人体健康的危害。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中防护口罩的长时间佩戴会造成人体脸部闷热不适感的问题，提供一种具有多层结构的热舒适性过滤材料及其制备方法。本发明通过对材料的选择以及对结构的设计，成功实现了个人防护口罩在具有高过滤效率和低过滤阻力的同时，还具有高的红外透过率，允许人体发射的红外透过，降低人体的闷热感。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有多层结构的热舒适性过滤材料，其包括从内到外依次层叠的第一增强层、n层过滤层和第二增强层，其中n为2、3、4或5；
所述n层过滤层均是由用于透过红外线的高分子聚合物形成的层；
所述n层过滤层按从内到外方式依次层叠，其中靠近所述第一增强层的为第一过滤层，靠近所述第一过滤层的为第二过滤层，以此类推；
所述n层过滤层的平均孔径从第一过滤层到第n过滤层依次增大，且第一过滤层的平均孔径为0.5-6μm，其他过滤层的平均孔径为16-150μm。
优选地，所述第一增强层是由用于透过红外线的亲水性聚合物制得的且其是经亲水改性的，或者所述第一增强层是由用于透过红外线的疏水性聚合物制得的且其是经亲水改性的。
优选地，所述第二增强层是由用于透过红外线的高分子聚合物形成的层；优选地，所述第二增强层远离第n过滤层的一侧是经疏水改性的，优选地，所述n层过滤层可以是由相同或不同材料形成的层。
优选地，所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6或聚苯乙烯。
优选地，所述疏水性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、或聚苯乙烯。
优选地，所述亲水性聚合物为尼龙6。
优选地，n为2、3或4。
优选地，所述第一过滤层的平均孔径为1-4.5μm。
优选地，其他过滤层的平均孔径为23-145μm。
优选地，所述第一增强层和第二增强层为厚度50-500μm、优选300-500μm的非织造布。
优选地，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为100-200μm，优选为120-150μm。
优选地，所述第一过滤层为厚度2-20μm、优选4.5-10μm的纳米纤维膜。
优选地，所述其他过滤层为厚度2-20μm、优选5-10μm的纳米纤维膜或者为厚度50-800μm、优选400-800μm的非织造布。
优选地，所述亲水改性为等离子体改性、表面活性剂改性、接枝共聚法改性或紫外臭氧改性。
优选地，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为40°以下，优选0°-35°。
优选地，所述疏水改性是通过在所述第二增强层表面喷涂疏水性聚合物进行的。
优选地，所述疏水性聚合物为聚偏氟乙烯、含氟聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯或聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯。
优选地，所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为130°以上，优选145°-160°，其中n为2、3、4或5。
优选地，所述热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为80％以上。
优选地，所述热舒适性过滤材料的PM2.5滤除效率为99％以上。
优选地，所述热舒适性过滤材料的过滤阻力为190Pa以下。
本发明还提供一种制备具有多层结构的热舒适性过滤材料的方法，其包括以下步骤：
步骤a：制备第一增强层；
步骤b：在所述第一增强层的一个表面上由用于透过红外线的高分子聚合物依次形成n层过滤层，其中n为2、3、4或5；
步骤c：在第n过滤层的表面上形成第二增强层；
其中，所述n层过滤层按从内到外方式依次层叠，其中靠近所述第一增强层的为第一过滤层，靠近所述第一过滤层的为第二过滤层，以此类推；
所述n层过滤层的平均孔径从第一过滤层到第n过滤层依次增大，且第一过滤层的平均孔径为0.5-6μm，其他过滤层的平均孔径为16-150μm。
优选地，步骤a包括：由用于透过红外线的亲水性聚合物制备第一增强层并对所得第一增强层进行亲水改性，或者，由用于透过红外线的疏水性聚合物制备第一增强层并对所得第一增强层进行亲水改性。
优选地，步骤c包括：在第n过滤层的表面上由用于透过红外线的高分子聚合物形成第二增强层。
优选地，在步骤c之后，对所述第二增强层远离第n过滤层的一侧进行疏水改性。
优选地，所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6或聚苯乙烯。
优选地，所述疏水性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、或聚苯乙烯。
优选地，所述亲水性聚合物为尼龙6；
优选地，n为2、3或4。
优选地，所述第一过滤层的平均孔径为1-4.5μm。
优选地，其他过滤层的平均孔径为23-145μm；
优选地，所述第一增强层和第二增强层为厚度50-500μm、优选300-500μm的非织造布。
优选地，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为100-200μm，优选为120-150μm。
优选地，所述第一过滤层为厚度2-20μm、优选4.5-10μm的纳米纤维膜。
优选地，所述其他过滤层为厚度2-20μm、优选5-10μm的纳米纤维膜或者为厚度50-800μm、优选400-800μm的非织造布。
优选地，所述亲水改性为等离子体改性、表面活性剂改性、接枝共聚法改性或紫外臭氧改性。
优选地，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为40°以下，优选0°-35°；
优选地，所述疏水改性通过在所述第二增强层表面喷涂疏水性聚合物进行。
优选地，所述疏水性聚合物为聚偏氟乙烯、含氟聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯或聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯。
优选地，所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为130°以上，优选145°-160°，其中n为2、3、4或5。
优选地，所述热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为80％以上。
优选地，所述热舒适性过滤材料的PM2.5滤除效率为99％以上。
优选地，所述热舒适性过滤材料的过滤阻力为190Pa以下。
所述第一增强层、n层过滤层和第二增强层可通过多种工艺形成，例如纺粘工艺、熔喷工艺、静电纺丝工艺、涂层工艺或者静电喷涂工艺，只要能形成平均孔径在特定范围内的非织造材料都可适用于本发明。
本发明所取得的有益效果是：
传统商业口罩由于材料的选择和结构设计的问题，阻挡了大部分红外线的通过，长时间佩戴会造成使用者脸部闷热不适。个人防护材料要达到合格防护效果的同时具有一定热舒适性的目的，既要保证防护材料具有高过滤效率与低过滤阻力，又要保证防护材料具有一定的散热效果，避免人体脸部过度闷热。本发明的热舒适性过滤材料选用具有高红外透过率的高分子聚合物作为原料，能够使得所制备的过滤材料具有较高的红外透过率，实现对人体辐射散热的目标。
本发明的热舒适性过滤材料通过合理设计过滤层的孔径结构，使从第一过滤层到第n过滤层的平均孔径递增，可以在降低过滤阻力的同时保持有高的过滤效率。第n过滤层的平均孔径较大，其为16-150μm，因为第n过滤层是靠近环境一侧的，可以率先滤除大尺寸污染物，避免快速形成滤饼，减轻第一过滤层的过滤压力，进而在长时间过滤的情况下依然保证具有较小的过滤阻力。第一过滤层的平均孔径较小，其为0.5-6μm，因为第一过滤层是靠近人体一侧的，可以进一步滤除尺寸极小的细菌和污染物，其纳米纤维本身又具有吸附性，可以吸附微小的细菌和有机污染物，从而达到高过滤效率。
第一增强层和第二增强层是由高分子聚合物制备而成的非织造布，厚度适中的非织造布具有较大的孔径，其透气性好，机械强力好，厚度太厚则会影响其透气性以及浪费资源。第一增强层为亲水性纤维或经亲水改性，因为人体在呼吸的过程中会产生大量水蒸气，亲水性纤维可以快速吸收人体由于呼吸产生的哈气，避免哈气在过滤材料靠近人体面部一侧冷凝产生水珠，保持过滤材料与脸部之间微环境的干燥，避免人体因潮湿而产生不适感。第二增强层远离第n过滤层的一侧具有疏水性，可以阻挡液态飞沫或病人组织液和血液等液态感染物，保证这些液态感染物不会感染人体。
综上，本发明的热舒适性过滤材料中各层都有自己的作用，最终叠加起来，赋予过滤材料优良的综合性能，既能保证高效低阻的过滤性能，又能实现辐射冷却的效果，还能阻挡外界液态污染物。现有的商业口罩主要是以驻极熔喷材料作为过滤介质，其静电荷容易耗散导致过滤效率的下降，而且其不具有散热的功能，长时间佩戴会导致人体脸部产生闷热感。本发明提供了一种解决思路——通过合理选用聚合物原料和设计过滤材料结构，在保证高过滤效率与低过滤阻力的同时可以产生辐射散热的效果，有效避免了人体因长时间佩戴口罩而产生的闷热不适感。
另外，本发明的热舒适性过滤材料的制备方法操作简单，成本不高，应用前景良好。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的具有多层结构的热舒适性过滤材料的示例性截面图；其中，1为经亲水改性的第一增强层，2为第一过滤层，3为第二过滤层，4为第二增强层，5为疏水涂层。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施例对本发明所述的技术方案做进一步说明，但本发明不仅限于此。此外应理解，在阅读了本发明的公开内容之后，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。本文未记载的试剂、仪器或操作步骤均是本领域普通技术人员可常规确定的内容。
以下实施例制得的热舒适性过滤材料的层结构均如图1所示，均包括经亲水改性的第一增强层1、第一过滤层2、第二过滤层3、第二增强层4和疏水涂层5。
实施例1
(1)以高密度聚乙烯为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为190℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的表面活性剂中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为30min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为18wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为8μm的尼龙6纳米纤维膜，平均孔径为1.3μm，静电纺丝电压为35kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为0.3mL/h；
(4)以线性低密度聚乙烯为原料，采用熔喷工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面进行熔喷形成厚度为400μm的熔喷非织造布，平均孔径为143.4μm，其熔融温度为250℃，热空气温度为320℃，牵伸风速度为45slm，接收距离为15cm。
(5)以高密度聚乙烯为原料，采用纺粘工艺继续在熔喷非织造布表面制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为190℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将含氟聚氨酯溶解于丙酮中，然后进行机械搅拌，含氟聚氨酯与丙酮的质量比为1:100，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为5kV，接收距离为5cm，灌注速度为0.2mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的聚乙烯非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的聚乙烯熔喷非织造布)和第二增强层(即步骤5所制备的聚乙烯非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为150μm、1.3μm、143.4μm和150μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由含氟聚氨酯纳米涂层组成；
通过傅里叶变换红外光谱仪测试热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为85.32％；采用美国TSI 8130自动滤料测试仪(测试流量为32L/min)进行过滤性能测试，测得PM2.5滤除效率为99.985％，过滤阻力为188.54Pa；第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为33°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为151°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了0.7℃。
在本发明中，人体皮肤温度的测试步骤如下：
使用实验室自制装置进行散热性能测试，该装置包含两个硅橡胶柔性加热器(10cm×10cm，购于无锡隆义电热电器公司定制)、一个热绝缘聚苯乙烯泡沫、一个K型热电偶(精度：±(0.2％+0.6)，分辨率：0.1℃，购于优利德科技有限公司)和一个带有盖子和电线孔的透明盒子(由厚度为5mm的透明亚克力板制成)，其中两个硅橡胶柔性加热器、热绝缘聚苯乙烯泡沫和K型热电偶均放置在盒子中。一个硅橡胶柔性加热器与一个直流电源连接作为模拟皮肤，其表面温度使用K型热电偶进行测量，另一个硅橡胶柔性加热器与直流电源连接并置于前一个硅橡胶柔性加热器之下作为保护加热器防止热量向下传导。热绝缘苯乙烯泡沫置于保护加热器下面防止热量向下传导。透明盒子的作用是防止外界环境对测试的影响。在恒温恒湿条件(25℃和45％湿度)下进行测试，通过调节直流电源的电压将两个硅橡胶柔性加热器温度都设定为34℃(即裸露皮肤的温度为34℃)，将测试样品覆盖在模拟皮肤表面，稳定5min后，记录模拟皮肤表面的温度，每一个样品测试三次然后取平均值。
实施例2
该实施例的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤4中形成熔喷非织造布的厚度为600μm，平均孔径为101.3μm，测试表明，最终制得的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为83.12％，将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了0.9℃。
实施例3
该实施例的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤4中形成熔喷非织造布的厚度为800μm，平均孔径为73.8μm，测试表明，最终制得的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为82.39％，将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了1℃。
将实施例1与实施例2和3对比可以看出，实施例1中过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率高于实施例1和2，因为厚度较厚的熔喷非织造布会增加红外的光程，降低红外的透过率，本发明通过合理控制熔喷非织造布的厚度，使得在不影响过滤效率的前提下，尽可能增加其红外透过率。
实施例4
该实施例的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤3中形成尼龙6纳米纤维膜的厚度为6μm，平均孔径为2.6μm，测试表明，最终制得的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料PM2.5滤除效率为99.842％，过滤阻力为138.48Pa。
实施例5
该实施例的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于步骤3中形成尼龙6纳米纤维膜的厚度为4.5μm，平均孔径为4.1μm，测试表明，最终制得的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料PM2.5滤除效率为99.142％，过滤阻力为97.99Pa。
实施例6
(1)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的表面活性剂中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为30min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为18wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为5μm，平均孔径为3.9μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为30kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为0.3mL/h；
(4)以线性低密度聚乙烯为原料，采用熔喷工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面进行熔喷形成厚度为600μm，平均孔径为105.6μm的熔喷非织造布，其熔融温度为250℃，热空气温度为320℃，牵伸风速度为45slm，接收距离为15cm。
(5)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺继续在熔喷非织造布表面制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将聚偏氟乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，然后进行机械搅拌，N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为7:3，聚偏氟乙烯与溶剂的质量比为1:50，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为5kV，接收距离为5cm，灌注速度为0.2mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的聚丙烯非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的聚乙烯熔喷非织造布)和第二增强层(即步骤5所制备的聚丙烯非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为130μm、3.9μm、105.6μm和130μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由聚偏氟乙烯纳米涂层组成；
具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为81.36％，PM2.5滤除效率为99.895％，过滤阻力为99.32Pa，第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为12°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为148°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了0.9℃。
实施例7
(1)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的表面活性剂中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为30min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为18wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为4.5μm，平均孔径为3.9μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为30kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为0.3mL/h；
(4)以步骤3中尼龙6纳米纤维膜远离聚丙烯非织造布的一面为接收面，将浓度为25wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为10μm，平均孔径为23.4μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为20kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为1mL/h。
(5)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将含氟聚氨酯溶解于四氢呋喃中，然后进行机械搅拌，含氟聚氨酯与溶剂的质量比为1:50，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为10kV，接收距离为10cm，灌注速度为0.5mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的聚丙烯非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的尼龙6纳米纤维膜)和第二增强层(即步骤5所制备的聚丙烯非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为130μm、3.9μm、23.4μm和130μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由含氟聚氨酯纳米涂层组成；
具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为89.36％，PM2.5滤除效率为99.996％，过滤阻力为110.36Pa，第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为10°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为149°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了0.7℃。
实施例8
一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的表面活性剂中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为30min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为18wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为5.5μm，平均孔径为3.7μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为35kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为0.5mL/h；
(4)以步骤3中尼龙6纳米纤维膜远离聚丙烯非织造布的一面为接收面，将浓度为15wt％的聚苯乙烯溶液进行静电纺丝形成厚度为10μm，孔经为25.8μm的聚苯乙烯纳米纤维膜，静电纺丝电压为25kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为2mL/h。
(5)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺继续在聚苯乙烯纳米纤维膜表面制备出厚度为500μm的非织造布，其熔融温度为220℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将聚偏氟乙烯-六氟丙烯烷溶解于四氢呋喃中，然后进行机械搅拌，聚偏氟乙烯-六氟丙烯与四氢呋喃的质量比为5:100，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为30kV，接收距离为20cm，灌注速度为1mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的聚丙烯非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的聚苯乙烯纳米纤维膜)和第二增强层(即步骤5所制备的聚丙烯非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为130μm、3.7μm、25.8μm和130μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米涂层组成；
具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为90.23％，PM2.5滤除效率为99.985％，过滤阻力为105.67Pa，第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为8°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为156°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了0.8℃。
实施例9
(1)以尼龙6为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为400μm的非织造布，其熔融温度为250℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的氢氧化钠水溶液中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为10min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为18wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为5μm，平均孔径为2.8μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为35kV，接收距离为15cm，纺丝溶液的灌注速度为0.3mL/h；
(4)以步骤3中尼龙6纳米纤维膜远离尼龙6非织造布的一面为接收面，将浓度为25wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为5μm，平均孔经为23.7μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为15kV，接收距离为15cm，纺丝溶液的灌注速度为1.5mL/h。
(5)以尼龙6为原料，采用纺粘工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面制备出厚度为400μm的非织造布，其熔融温度为250℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯烷溶解于N,N-二甲基乙酰胺中，然后进行机械搅拌，聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为2:100，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为30kV，接收距离为20cm，灌注速度为2mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的尼龙6非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的尼龙6纳米纤维膜)和第二增强层(即步骤5所制备的尼龙6非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为120μm、2.8μm、23.7μm和120μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯纳米涂层组成；
具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为81.69％，PM2.5滤除效率为99.991％，过滤阻力为120.36Pa，第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为3°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为158°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了1℃。
实施例10
(1)以聚丙烯为原料，采用纺粘工艺制备出厚度为400μm的非织造布，其熔融温度为230℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(2)将步骤1中所制备的非织造布浸泡在浓度为5wt％的表面活性剂中进行亲水改性，然后置于真空烘箱中烘干，浸泡时间为10min，烘干时间为2h；
(3)以步骤2所制备的亲水改性非织造布为基底，将浓度为15wt％的尼龙6溶液进行静电纺丝形成厚度为8μm，平均孔径为1.0μm的尼龙6纳米纤维膜，静电纺丝电压为30kV，接收距离为20cm，纺丝溶液的灌注速度为0.5mL/h；
(4)采用以聚苯乙烯为原料，采用熔喷工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面进行熔喷形成厚度为400μm，平均孔径为55.0μm的熔喷非织造布，其熔融温度为240℃，热空气温度为300℃，牵伸风速度为50slm，接收距离为15cm。。
(5)以尼龙6为原料，采用纺粘工艺继续在尼龙6纳米纤维膜表面制备出厚度为400μm的非织造布，其熔融温度为250℃，测吹风的温度为16℃，牵伸风压力为200kPa；
(6)以步骤5所得的非织造布为接收面，将聚合物分散液进行静电喷雾形成疏水层，分散液的制备过程为：将苯乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，然后进行机械搅拌，聚苯乙烯与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为5:100，搅拌时间为1h，静电喷雾的电压为30kV，接收距离为20cm，灌注速度为2mL/h，电喷深度/厚度为20μm；
最终制备得到的一种具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料，具有复合结构，包括相邻的第一增强层(即步骤2所制备的聚丙烯非织造布)、第一过滤层(即步骤3所制备的尼龙6纳米纤维膜)、第二过滤层(即步骤4所制备的聚苯乙烯纳米纤维膜)和第二增强层(即步骤5所制备的尼龙6非织造布)，第一增强层、第一过滤层、第二过滤层和第二增强层都具有多孔结构，多孔平均孔径分别为130μm、1.0μm、55.0μm和130μm，第二增强层远离第二过滤层的表面涂覆有疏水层，疏水层的厚度为20μm，主要由聚苯乙烯纳米涂层组成；
具有较高红外透过率的热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为82.69％，PM2.5滤除效率为99.993％，过滤阻力为166.26Pa，第一增强层远离第一过滤层一侧的水接触角为12°，第二增强层远离第二过滤层一侧的水接触角为148°；将本实施例的热舒适性过滤材料覆盖在人体皮肤表面，稳定5min后，人体皮肤温度仅上升了1.2℃。
对比例1
按照实施例1的测试方法，对商购获得的商业口罩(购于青岛海诺生物工程有限公司，生产批号为210101)进行红外透过率、PM2.5滤除效率、过滤阻力以及人体皮肤温度测试。
所述商业口罩包括三层结构，其中外层为疏水性的纺粘非织造布，可以阻挡外界飞沫，平均孔径为200μm；中间层为熔喷布，主要用于过滤细小粒径的污染物，平均孔径为11.9μm；内层为亲水性的纺粘非织造布，可以吸收嘴巴呼出的哈气以及面部的汗液，平均孔径为450μm。
经测定，所述商业口罩的红外透过率为31.95％，PM2.5滤除效率为94.58％，过滤阻力为45.81Pa，人体皮肤温度上升了1.7℃。
通过比较实施例6和对比例1可以看出，通过对材料的选择以及对结构的设计，本发明的具有多层结构的热舒适性过滤材料的红外透过率远远高于普通商业口罩，其同时具有高的过滤效率和相对低的过滤阻力，且人体皮肤温度上升较少，有效降低了人体的闷热感。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种具有多层结构的热舒适性过滤材料，其特征在于，其包括从内到外依次层叠的第一增强层、n层过滤层和第二增强层，其中n为2、3或4；
所述n层过滤层均是由用于透过红外线的高分子聚合物形成的层；
所述n层过滤层按从内到外方式依次层叠，其中靠近所述第一增强层的为第一过滤层，靠近所述第一过滤层的为第二过滤层，以此类推；
所述n层过滤层的平均孔径从第一过滤层到第n过滤层依次增大，且第一过滤层的平均孔径为1-4.5μm，其他过滤层的平均孔径为23-145μm；
所述第一增强层是由用于透过红外线的亲水性聚合物制得的且其是经亲水改性的，或者所述第一增强层是由用于透过红外线的疏水性聚合物制得的且其是经亲水改性的，其中所述亲水性聚合物为尼龙6，所述疏水性聚合物为聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯；
所述第二增强层是由用于透过红外线的高分子聚合物制成的；所述第二增强层远离第n过滤层的一侧是经疏水改性的；
所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6或聚苯乙烯；
所述第一增强层和第二增强层为厚度50-500μm的非织造布，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为100-200μm；所述第一过滤层为厚度2-20μm的纳米纤维膜，所述其他过滤层为厚度2-20μm的纳米纤维膜或者为厚度50-800μm的非织造布。
2.根据权利要求1所述的热舒适性过滤材料，其特征在于，所述第一增强层和第二增强层为厚度300-500μm的非织造布，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为120-150μm，所述第一过滤层为厚度4.5-10μm的纳米纤维膜，所述其他过滤层为厚度5-10μm的纳米纤维膜或者为厚度400-800μm的非织造布。
3.根据权利要求1所述的热舒适性过滤材料，其特征在于，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为40°以下；所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为130°以上。
4.根据权利要求3所述的热舒适性过滤材料，其特征在于，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为0°-35°。
5.根据权利要求3所述的热舒适性过滤材料，其特征在于，所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为145°-160°。
6.根据权利要求1所述的热舒适性过滤材料，其特征在于，所述热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为80％以上，所述热舒适性过滤材料的PM2.5滤除效率为99％以上，所述热舒适性过滤材料的过滤阻力为190Pa以下。
7.一种制备具有多层结构的热舒适性过滤材料的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤a：制备第一增强层；
步骤b：在所述第一增强层的一个表面上由用于透过红外线的高分子聚合物依次形成n层过滤层，其中n为2、3或4；
步骤c：在第n过滤层的表面上形成第二增强层；
其中，所述n层过滤层按从内到外方式依次层叠，其中靠近所述第一增强层的为第一过滤层，靠近所述第一过滤层的为第二过滤层，以此类推；
所述n层过滤层的平均孔径从第一过滤层到第n过滤层依次增大，且第一过滤层的平均孔径为1-4.5μm，其他过滤层的平均孔径为23-145μm；
步骤a包括：由用于透过红外线的亲水性聚合物制备第一增强层并对所得第一增强层进行亲水改性，或者，由用于透过红外线的疏水性聚合物制备第一增强层并对所得第一增强层进行亲水改性，其中所述亲水性聚合物为尼龙6，所述疏水性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、或聚苯乙烯；
步骤c包括：在第n过滤层的表面上由用于透过红外线的高分子聚合物形成第二增强层；
在步骤c之后，对所述第二增强层远离第n过滤层的一侧进行疏水改性；
所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6或聚苯乙烯；
所述第一增强层和第二增强层为厚度50-500μm的非织造布，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为100-200μm；所述第一过滤层为厚度2-20μm的纳米纤维膜，所述其他过滤层为厚度2-20μm的纳米纤维膜或者为厚度50-800μm的非织造布。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一增强层和第二增强层为厚度300-500μm的非织造布，所述第一增强层和第二增强层的平均孔径为120-150μm；所述第一过滤层为厚度4.5-10μm的纳米纤维膜，所述其他过滤层为厚度5-10μm的纳米纤维膜或者为厚度400-800μm的非织造布。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述亲水改性为等离子体改性、表面活性剂改性、接枝共聚法改性或紫外臭氧改性，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为40°以下。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一增强层远离所述第一过滤层一侧的水接触角为0°-35°。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述疏水改性通过在所述第二增强层表面喷涂疏水性聚合物进行。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述疏水性聚合物为聚偏氟乙烯、含氟聚氨酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯或聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为130°以上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二增强层远离第n过滤层一侧的水接触角为145°-160°。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热舒适性过滤材料在波长为2-20μm范围内的红外透过率为80％以上，所述热舒适性过滤材料的PM2.5滤除效率为99％以上，所述热舒适性过滤材料的过滤阻力为190Pa以下。
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