CN114045610B - 一种可降解口罩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解口罩及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：将聚乳酸溶解到有机溶剂中，得到聚乳酸溶液；将生物质二氧化硅材料分散于所述聚乳酸溶液中，经超声分散处理后得到悬浮液；将所述悬浮液放置在静电纺丝机中进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩。本发明制备的可降解口罩可以在一个半月左右的时间实现完全降解，且所述可降解口罩自身具有纤维尺寸小，电荷负载高的特点，对于0.3微米的颗粒过滤效果达99.99％，远超N95口罩标准；本发明采用静电纺丝机制备可降解口罩，其工艺简单，场地占比小，适合在家庭等小工厂生产。

Description

一种可降解口罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及口罩技术领域，尤其涉及一种可降解口罩及其制备方法。
背景技术
口罩是抵御病毒的最好方式之一，据卫生组织介绍，每个口罩仅能使用12-24小时。全世界人民每天消耗的口罩过多，使得口罩的处理存在严峻的考验。由于目前口罩的原材料主要是聚丙烯(PP)，这种材料在自然条件下需要数百年才能够降解，给环境造成了严重的破坏。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可降解口罩及其制备方法，旨在解决现有技术制得的口罩降解速度慢，给环境造成破坏的问题。
本发明的技术方案如下：
一种可降解口罩的制备方法，其中，包括步骤：
将聚乳酸溶解到有机溶剂中，得到聚乳酸溶液；
将生物质二氧化硅材料分散于所述聚乳酸溶液中，经超声分散处理后得到悬浮液；
将所述悬浮液放置在静电纺丝机中进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩。
所述可降解口罩的制备方法，其中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或多种。
所述可降解口罩的制备方法，其中，所述生物质二氧化硅材料为硅藻土和硅藻壳中的一种或两种。
所述可降解口罩的制备方法，其中，所述生物质二氧化硅材料与所述聚乳酸的质量比小于等于4:1。
所述可降解口罩的制备方法，其中，所述聚乳酸溶液中，聚乳酸的浓度为0.01-0.5g/mL。
所述可降解口罩的制备方法，其中，将所述悬浮液放置在静电纺丝机中进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩的步骤包括：
所述静电纺丝机包括喷丝口，在所述喷丝口下方放置有收集板，所述收集板与所述喷丝口的距离为5-20cm；
将所述悬浮液放置在静电纺丝机中，在所述收集板上进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩。
所述可降解口罩的制备方法，其中，将所述悬浮液放置在静电纺丝机中，在所述收集板上进行静电纺丝成膜的步骤中，静电纺丝机的电压设置为10-30KV。
一种可降解口罩，其中，采用本发明所述可降解口罩的制备方法制得。
所述的可降解口罩，其中，所述可降解口罩的材料包括生物质二氧化硅材料和聚乳酸。
所述的可降解口罩，其中，所述生物质二氧化硅材料与所述聚乳酸的质量比小于等于4:1。
有益效果：本发明提供的可降解口罩的制备方法具有以下优点：传统的聚乳酸材料在自然条件下需要一年以上的时间降解，而本发明制备的可降解口罩可以在一个半月左右的时间实现完全降解；本发明制备的口罩自身具有纤维尺寸小，电荷负载高的特点，对于0.3微米的颗粒过滤效果达99.99％，远超N95口罩标准；本发明采用静电纺丝机制备可降解口罩，其工艺简单，场地占比小，适合在家庭等小工厂生产。
附图说明
图1为本发明一种可降解口罩的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明对比较例1-对比较例2以及实施例1-实施例3制备的口罩空气过滤性能对比图。
具体实施方式
本发明提供一种可降解口罩及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种可降解口罩的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S10、将聚乳酸溶解到有机溶剂中，得到聚乳酸溶液；
S20、将生物质二氧化硅材料分散于所述聚乳酸溶液中，经超声分散处理后得到悬浮液；
S30、将所述悬浮液放置在静电纺丝机中进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩。
在本实施例中，所述生物质二氧化硅材料为表面携带大量羟基的多孔二氧化硅材料，具有较强的亲水作用，本实施例通过将生物质二氧化硅材料分散在聚乳酸溶液中，使得所述聚乳酸可以分散在所述生物质二氧化硅材料的孔洞中得到悬浮液，将所述悬浮液通过静电纺丝处理得到添加有生物质二氧化硅材料的聚乳酸纤维，该聚乳酸纤维成膜后最终可制备得到可降解口罩；所述可降解口罩在使用完后埋在土壤中，此时添加有生物质二氧化硅材料的聚乳酸纤维可使土壤中的水分携带各种微生物快速进入到口罩的内部，从而实现口罩的全面快速降解。
在一些实施方式中，所述生物质二氧化硅材料为硅藻土和硅藻壳中的一种或两种，但不限于此。本实施例中，所述硅藻壳为藻类细胞的一种骨架，属于生物质材料，其主要成分为多孔二氧化硅，且所述多孔二氧化硅表面携带有大量羟基。所述硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成，其化学成分以SiO2为主，可用SiO2·nH2O表示，硅藻土的孔体积为0.45-0.98m3/g，吸水率是自身体积的2-4倍，在电子显微镜下可以观察到特殊多孔的构造。
在一些实施方式中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或多种。
在一些实施方式中，所述生物质二氧化硅材料与所述聚乳酸的质量比小于等于4:1。在本实施例中，若生物质二氧化硅材料与聚乳酸比例大于4:1，则在静电纺丝过程中生成的添加有生物质二氧化硅材料的聚乳酸纤维会变得特别脆，从而造成口罩直接碎裂，这主要原因是聚乳酸在中间主要充当粘结剂，当聚乳酸含量过低的时候，即粘结剂含量太少，导致生物质二氧化硅材料之间粘合力太低，因此会因为轻微的外力而造成物理碎裂。
在一些实施方式中，所述聚乳酸溶液中，聚乳酸的浓度为0.01-0.5g/mL，但不限于此。
在一些实施方式中，将所述悬浮液放置在静电纺丝机中进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩的步骤包括：所述静电纺丝机包括喷丝口，在所述喷丝口下方放置有收集板，所述收集板与所述喷丝口的距离为5-20cm；将所述悬浮液放置在静电纺丝机中，在所述收集板上进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩。
具体来讲，传统的熔喷布是悬浮液被融化之后，通过高温气体从孔洞中喷出，但是其中间没有电场力，所以其只能依靠高速喷出的气体带动其拉伸，但这种拉伸是有限的拉伸，而且由于材料本身融化之后温度特别高，因此到达收集板之后还没有完全冷却下来，所以其纤维会坍塌，因此其直径会在几微米到几十微米直径。而本实施例采用静电纺丝机进行口罩生产，静电纺丝的原理在于在针头(喷丝口)与收集板中间设置有一个静电高压场，当悬浮液从针头出来的时候，其表面聚集大量的正电荷(相当于给溶液冲电)，在电场力的作用下所述悬浮液会往收集板中飘散过去，同时悬浮液会在空中快速挥发，拉伸的效果会增加，到达收集板的时候就是单纯被拉伸的高分子纤维，纤维尺寸一般分布在几十纳米到几百纳米之间。因此，本实施例制备的可降解口罩自身具有纤维尺寸小的特点，对于0.3微米的颗粒过滤效果达99.99％，远超N95口罩标准。本实施例制备的可降解口罩抗拉强度达2.72Mpa,断裂延长率达49.1％。
进一步地，从材料本身来说，本实施例采用的是聚乳酸和生物质二氧化硅材料的复合物，生物质二氧化硅材料是一种多孔的物质，本质为二氧化硅，表面有大量的羟基，因此具有非常好的储存电荷的能力，而且不受时间湿度变化，也就是说，本实施例制得的可降解口罩自身带有电荷负载高的特点。而传统的口罩主要材料为PP材料，由于工艺上本身没有增加电荷等原因，所以其只能在原材料上直接进行注极工艺，但是这种注极工艺会受到湿度的影响，在高湿环境下电荷会快速消失，造成过滤效果下降。
在一些实施方式中，将所述悬浮液放置在静电纺丝机中，在所述收集板上进行静电纺丝成膜的步骤中，静电纺丝机的电压设置为10-30KV。本实施例采用静电纺丝机制备可降解口罩，其工艺简单，场地占比小，适合在家庭等小工厂生产。
在一些实施方式中，还提供一种可降解口罩，其采用本发明所述可降解口罩的制备方法制得。
下面通过具体实施例对本发明一种可降解口罩及其制备方法做进一步的解释说明：
比较例1
将聚乳酸溶于DMF中，制备质量浓度为0.1g/mL的纺丝溶液，用针管吸取混合液，固定好收集板与喷丝口的距离为8cm,设置12KV的直流电压后开始纺丝。静电纺丝后，在收集器上收集到一种聚乳酸口罩。
比较例2
市场销售医用口罩，主要材质为PP，鼻夹为金属材质。
实施例1
将聚乳酸与硅藻土以9:1的质量比溶于DMF中，制备质量浓度为0.1g/mL的纺丝溶液，用针管吸取混合液，固定好收集板与喷丝口的距离为12cm,设置15KV的直流电压后开始纺丝。静电纺丝后，在收集器上收集到一层聚乳酸/硅藻土复合可降解口罩。
实施例2
将聚乳酸与硅藻土以5:5的质量比溶于DMF中，制备质量浓度为0.1g/mL的纺丝溶液，用针管吸取混合液，固定好收集板与喷丝口的距离为15cm,设置20KV的直流电压后开始纺丝。静电纺丝后，在收集器上收集到一层聚乳酸/硅藻土复合可降解口罩。
实施例3
将聚乳酸与硅藻土以2:8的质量比溶于DMF中，制备质量浓度为0.1g/mL的纺丝溶液，用针管吸取混合液，固定好收集板与喷丝口的距离为17cm,设置25KV的直流电压后开始纺丝。静电纺丝后，在收集器上收集到一层聚乳酸/硅藻土复合可降解口罩。
对上述比较例1-比较例2以及实施例1-实施例3制得的口罩进行性能测试：
空气过滤性能测试：参照GB2626-2019测试呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器，测试介质为(75±25)nm氯化钠气凝胶，测试气流量80L/min。
测试结果如图2所示：从图2可以看出，通过添加硅藻土之后的可降解聚乳酸口罩的空气过滤效果均达99.99％，远超N95口罩标准，而且其空气阻力比市场上买的口罩要小很多，说明我们制作的可降解口罩复合符合口罩标准。
力学性能测试：将口罩裁剪成1cm*10cm的长方形，夹在拉伸机上后，拉伸机以每秒0.5cm的速度拉伸，直至断裂，测试结果如表1所示：
表1力学性能测试结果
样品名称 断裂强度(MPa) 断裂伸长率(％)
比较例1 37 72
比较例2 32 34
实施例1 63 58
实施例2 54 51
实施例3 48 47
从表1可以明显看到添加硅藻土的可降解聚乳酸口罩的断裂强度，断裂伸长率比市场上的买的PP熔喷布口罩要高很多，说明了我们制作的可降解口罩具有更加优异的力学性能，满足口罩的材料的关键要求。
降解性能测试：选取一块相对肥沃的土壤，挖一个50公分的深坑，将口罩放置于其中，将泥土重新将深坑填埋。每隔半个月观察其形状，重量变化，测试结果如表2所示：
表2降解性能测试结果
Figure BDA0003334108310000071
从表2中数据可以明显得出结论，添加硅藻土的可降解聚乳酸口罩降解速度比未添加的聚乳酸口罩以及PP口罩快的多，而且随着硅藻土与聚乳酸的比例的增加，聚乳酸可降解口罩的降解速度越来越快，实施例1和实施例2制备的口罩在8周后重量损失为100％，说明已完全降解，而实施例3制备的口罩在6周后重量损失即达到100％，本发明可以通过调节硅藻土与聚乳酸之间的比例来控制聚乳酸口罩的降解速度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种可降解口罩的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将聚乳酸溶解到有机溶剂中，得到聚乳酸溶液；所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或多种；
将生物质二氧化硅材料分散于所述聚乳酸溶液中，经超声分散处理后得到悬浮液；所述生物质二氧化硅材料为表面携带大量羟基的多孔二氧化硅材料，所述聚乳酸分散在所述生物质二氧化硅材料的孔洞中得到悬浮液；所述生物质二氧化硅材料为硅藻土和硅藻壳中的一种或两种，所述生物质二氧化硅材料与所述聚乳酸的质量比小于等于4:1，所述聚乳酸溶液中，聚乳酸的浓度为0.01-0.5g/mL;
将所述悬浮液放置在静电纺丝机中，所述静电纺丝机包括喷丝口，在所述喷丝口下方放置有收集板，在所述收集板上进行静电纺丝成膜，制得所述可降解口罩；所述收集板与所述喷丝口的距离为5-20cm；静电纺丝机的电压设置为10-30KV。
2.一种可降解口罩，其特征在于，采用权利要求1所述可降解口罩的制备方法制得。
3.根据权利要求2所述的可降解口罩，其特征在于，所述可降解口罩的材料包括生物质二氧化硅材料和聚乳酸。
4.根据权利要求3所述的可降解口罩，其特征在于，所述生物质二氧化硅材料与所述聚乳酸的质量比小于等于4:1。
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