CN114263037B - 防pm2.5活性炭口罩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防PM2.5活性炭口罩及其制备方法。本发明所述的防PM2.5活性炭口罩，从外到里分别包括光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层；所述的光触媒熔喷无纺布外层还带有耳带和鼻梁条。本发明将具有光催化降解作用的外层、掺铜活性炭过滤内层、亲肤性水刺无纺布面层组合制备了一种防PM2.5活性炭口罩，制备过程简单，各个功能层配合性好，对颗粒物的过滤效率高，且具有稳定的长期使用性能。

Description

防PM2.5活性炭口罩及其制备方法

技术领域

本发明属于口罩技术领域，具体涉及一种防PM2.5活性炭口罩及其制备方法。

背景技术

根据环保部2012年修订的GB3095-2012《环境空气质量标准》，指出了PM2.5的定义，为环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物。由于PM2.5体积小、质量轻，在环境中能长期漂浮而不沉降。由于PM2.5粒径小，面积大，活性强，表面容易吸附有毒、有害物质，可以直接进入并粘附在人体上下呼吸道和肺叶中，引起鼻炎、支气管炎等病症，长期处于这种环境还会诱发肺癌；除了致癌，PM2.5天还会提高心血管疾病的发生概率。

随着科学技术的不断发展、人民生活水平的不断提高以及环境污染的日趋严峻，人们自身防护意识增强，防PM2.5口罩开始作为防护用品而被普遍使用。目前，KN95和KN95是市面上最常用的防PM2.5口罩，这两种口罩虽然防尘功能最强，但其密闭严、透气性差，容易引起呼吸困难，不适合长时间佩戴。在疫情环境不明朗和环境条件日益恶化的当下，研制出功能性好、适合长时间佩戴的防PM2.5口罩是很有必要的。

CN 108208972A公开了一种防PM2.5活性炭口罩，包括滤片、位于滤片左侧的耳挂襻和位于滤片右侧的耳挂襻，所滤片由内到外依次包括：第一无纺布、过滤纸、活性炭无纺布、第二无纺布。该发明的防PM2.5活性炭口罩，透气性好、轻便舒适、卫生环保，含有的活性炭无纺布层能对环境中的PM2.5、尘埃粒子、硫化物、氮化物、有机碳氢化合物、金属离子及细菌、病毒等有害物质多重隔离，清除有害物质，为人体提供洁净、安全的空气。该发明制备的口罩的抗菌层使用柚子皮粉和大豆蛋白等易降解失活的生物原料，适用面不广、性能不稳定。

CN 112826162A公开了一种生物质基氮掺杂活性炭口罩的制法，以三嗪环交联纤维素作为生物质碳源，三嗪环作为氮源，通过高温碳化和氯化锌制孔，得到生物质基氮掺杂活性炭，孔隙结构丰富，比表面积更大，为PM2.5等细微颗粒提供巨大的吸附空间，并且氮掺杂在活性炭碳层结构中形成大量的吡啶氮、石墨氮等含氮官能团，而含氮官能团的孤对电子对甲醛具有很强吸附作用，可以作为甲醛的活性吸附位点，同时石墨氮结构增大碳层周围电子云密度，通过对甲醛结构中的羰基正离子的静电吸引力，从而使生物质基氮掺杂活性炭口罩对甲醛等有毒气体，以及PM2.5具有优异的吸附效果。该发明制备的口罩虽然对甲醛气体和PM2.5具有优异的吸附效果，但制备生物质基氮掺杂活性炭的原料三嗪环交联纤维素制备非常复杂，将三嗪环作为氮源，反应条件苛刻、成本高。

现有技术生产的防PM2.5口罩存在呼吸阻力大、有效过滤层制备复杂的问题，开发制备一种制备方法简单、具有高效过滤性能、呼吸阻力适中的防PM2.5口罩是很有必要的。

发明内容

有鉴于现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种防PM2.5活性炭口罩及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种防PM2.5活性炭口罩，从外到里分别包括光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层；所述的光触媒熔喷无纺布外层还带有耳带和鼻梁条。

本发明中使用的无纺布是一种非织造布，它是直接利用高聚物切片、短纤维或长丝将纤维通过气流或机械成网，然后经过水刺、针刺、纺粘、熔喷等工艺，最后经过后整理形成的无编织的布料，是具有柔软、透气和平面结构的新型纤维制品。其中，纺粘和熔喷无纺布由于具有复杂的纤维堆积结构以及纤维的三维随机分布，使材料中含有大量微小空隙，微粒围绕纤维经过各种类型的弯曲通道或路径，可极大降低气流通过时的阻力，同时由于具有较快的生产速度、优异的结构性能使得其在口罩过滤市场的应用较为广泛。

二氧化钛是具有无毒、不透明性、白度和光亮度，有较好的紫外线掩蔽作用，在紫外光线存在下能发生电子跃迁产生氧化性自由基而具有光催化氧化性能，作为最常用的光触媒被广泛应用于光催化领域。然而，二氧化钛在可见光或光线弱的环境中，光催化能力很弱。本发明在二氧化钛常用的制备方法中掺入了金属镍以提高二氧化钛的光催化性能，并以此材料制备了口罩的外层结构。

进一步优选的，所述的光触媒熔喷无纺布外层的制备步骤包括以下步骤：

S1将十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、钛酸四丁酯搅拌混合均匀，得到淡黄色溶液Ⅰ；随后将冰乙酸、水滴加至淡黄色溶液Ⅰ中；在50～70℃下搅拌并老化获得乳白色凝胶；将乳白色凝胶在450～550℃下煅烧3～5h，自然冷却、粉碎过筛，得二氧化钛粉末；

S2将六水合硝酸镍加入到水中搅拌形成溶液Ⅱ；将步骤S1所得二氧化钛粉末加入到溶液Ⅱ中超声分散，随后浸渍10～15h；过滤后将不溶物干燥，随后在450～550℃下煅烧3～5h，自然冷却，粉碎、过筛，得二氧化钛粉末，得到掺镍的二氧化钛粉末；

S3将步骤S2所得掺镍的二氧化钛粉末、十二烷基苯磺酸钠、水分散均匀，得到涂布液；将涂布液涂在熔喷无纺布的一面，涂布量以掺镍的二氧化钛粉末量计为6～8g/m²；烘干；得到光触媒熔喷无纺布外层。

进一步优选的，光触媒熔喷无纺布外层的制备方法包括以下步骤：

S1在20～30℃下，将0.5～1重量份十六烷基三甲基溴化铵添加到20～25重量份无水乙醇中，搅拌得到澄清溶液，加入3～6重量份钛酸四丁酯继续搅拌，得到淡黄色溶液Ⅰ；随后将1～1.5重量份冰乙酸、2～3重量份水加入淡黄色溶液Ⅰ中；在50～70℃下搅拌并老化获得乳白色凝胶；将乳白色凝胶在450～550℃下煅烧3～5h，自然冷却至20～30℃，随后粉碎过筛得300～500目二氧化钛粉末；

S2将5～10重量份六水合硝酸镍加入到100～150重量份水中搅拌形成溶液Ⅱ；将5～10重量份步骤S1所得二氧化钛粉末加入到溶液Ⅱ中超声分散30～60min，随后浸渍10～15h；过滤后，将不溶物在100～130℃干燥2～5h，随后在450～550℃下煅烧3～5h，自然冷却至20～30℃，粉碎过筛得300～500目二氧化钛粉末，得到掺镍的二氧化钛粉末；

S3将5～10重量份步骤S2所得掺镍的二氧化钛粉末、0.2～0.5重量份十二烷基苯磺酸钠、100～150重量份水分散，得到涂布液；将涂布液涂在熔喷无纺布的一面，涂布量以掺镍的二氧化钛粉末量计为6～8g/m²；烘干；得到光触媒熔喷无纺布外层。

活性炭是目前最常用且廉价的吸附剂，其本质一种多孔径的炭化物，通过将有机原料(果壳、煤、木材等富含碳氢元素的材料)在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分(此过程称为炭化)，然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构(此过程称为活化)。由于活化的过程是一个微观过程，即大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀，所以造成了活性炭表面具有无数细小孔隙有非常丰富的孔隙构造，它的微孔结构发达，具有较大的比表面积，能吸附气体、液体。在口罩中加入活性炭能有效阻挡直径较小的颗粒侵入人体口鼻，可有效阻隔空气中的苯、甲醛、恶臭等有害气体，从而达到防尘、防毒和防菌的效果。一些现有技术对活性炭吸附苯和甲苯进行研究，实验发现活性炭可有效吸附有机溶剂，且具有一定的选择性。

活性炭的制备原料来源丰富、制备工艺简单，可以添加低熔点的盐、容易与碳发生反应的物质，对碳基体刻蚀从而制备具有高表面积的活性炭材料。有的研究通过将活性炭前驱体水热分解或加纤维素酶，促进反应剂在高温下与碳基体反应，以及多段碳化方式，可以制备出比表面积超过2500m²/g的活性炭。虽然高比表面积有利于活性炭对于有害物质的吸附。发明人发现比表面积不是影响吸附PM2.5的唯一因素，增加活性炭反应位点，引入活性物质与PM2.5颗粒进行作用，是更加有效方式。同时，使用大量的活化物质对活性炭前驱体刻蚀，不仅使得制备条件复杂化、增加成本，常用的活化剂KOH、NaOH、ZnCl₂会增加对仪器的腐蚀作用，也排放了更多的有害气体。

现有技术中活性炭的制备方法通常是将炭前驱体与活化剂共混或与将炭前驱体浸泡在活化剂溶液，随后在惰性气体中煅烧，洗去无机杂质制备高比表面积的活性炭。本发明不依赖于活性炭的高比表面积，活性物种在煅烧原位形成，可能会堵塞活性炭的孔径结构，降低整体的活性；通过加入特定的结构调整剂，调整活性物种在活性炭表面的形貌。

基于此，本发明以废弃的竹子为活性炭的前驱体，用对仪器腐蚀性小的三水合硝酸铜、结构调整剂，制备功能性更强的活性炭，并将其作为口罩中的过滤层的有效材料。

所述的活性炭熔喷无纺布的制备方法包括以下步骤：

(1)制备竹子粉；

(2)将竹子粉浸泡在硝酸铜溶液；过滤后将不溶物烘干，随后在惰性气体下煅烧得到掺铜活性炭；

(3)将掺铜活性炭与分散液混合得到涂布液，涂布在熔喷无纺布上，得到活性炭熔喷无纺布。

进一步优选的，所述的活性炭熔喷无纺布的制备方法包括以下步骤：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在80～120℃干燥6～8h；随后粉碎，得到竹子粉；

(2)将2～5重量份三水合硝酸铜、0.02～0.05重量份结构调整剂、加入到100～150重量份水中搅拌形成溶液A；将5～10重量份步骤(1)中竹子粉加入到溶液A中，浸渍12～15h；过滤后，将不溶物在60～80℃干燥6～8h；随后在惰性气体氛围、650～850℃下煅烧2～5h，自然冷却至20～30℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60～80℃干燥6～8h，粉碎过筛得到300～500目掺铜活性炭；

(3)将5～10重量份步骤(2)所得掺铜活性炭、0.2～0.5重量份十二烷基苯磺酸钠、100～150重量份水分散，得到涂布液；将涂布液涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为30～60g/m²；烘干，得到活性炭熔喷无纺布。

优选的，步骤(1)中所述的竹子粉目数为300～500目。

优选的，步骤(2)中所述的结构调整剂为1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、六亚甲基四胺、乙二胺中的至少一种。

进一步优选的，步骤(2)中所述的结构调整剂为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐与六亚甲基四胺按质量比为(2～4)：1混合均匀得到。

优选的，步骤(2)中煅烧的升温速率为2～10℃/min。

优选的，步骤(3)中所述的分散速率为1200～1800r/min。

本发明还提供了所述的防PM2.5活性炭口罩的制备方法，包括以下步骤：按照普通口罩的制备方法，以从上至下的顺序将光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层依次叠起；将鼻梁条置于光触媒熔喷无纺布外层上端的中间位置，用无纺布将鼻梁条覆盖；将两根耳带分别置于光触媒熔喷无纺布外层左右两端；随后热压即可得到防PM2.5活性炭口罩。

本发明的有益效果：

(1)将具有光催化降解作用的外层、掺铜活性炭过滤内层、亲肤性水刺无纺布面层组合制备了一种防PM2.5活性炭口罩，制备过程简单，各个功能层配合性好，对颗粒物的过滤效率高，且具有稳定的长期使用性能。

(2)综合利用生物质废物，将废弃竹子作为活性炭的前驱体，用三水合硝酸铜作为温和的改性剂和功能剂，加入结构调整剂，显著提高了掺铜活性炭的性能，进一步提高了防PM2.5活性炭口罩的过滤效率。

附图说明

图1为本发明制备的活性炭的场发射扫描电子显微镜图，A实施例1、B实施例2、C实施例3、D实施例4、E对比例1、F对比例2。

图2为本发明实施例4和对比例3制备的口罩在模拟人体呼吸环境下，口罩的过滤效率随时间的变化。

具体实施方式

本发明使用的部分原料介绍：

熔喷无纺布，克重40g/m²。

纯棉水刺无纺布，克重100g/m²。

废竹子茎秆收集于收集自武汉市。

KN95熔喷无纺布，克重50g/m²。

实施例1

一种PM2.5活性炭口罩的制备方法，步骤如下：按照普通口罩的制备方法，将光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层裁切成上下高为95mm、左右宽为175mm的规格，以从上至下的顺序将光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层依次叠起；将鼻梁条置于光触媒熔喷无纺布外层距离上边线8mm、左右居中的位置，用无纺布将鼻梁条覆盖；将两根耳带分别置于光触媒熔喷无纺布外层左右两端，距离上下边线5mm；随后热压得到防PM2.5活性炭口罩。

所述的光触媒熔喷无纺布外层的制备方法为：

S1在25℃下，将0.5g十六烷基三甲基溴化铵添加到25g无水乙醇中，以300r/min速率搅拌5min，得到澄清溶液，加入5g钛酸四丁酯继续搅拌10min，得到淡黄色溶液Ⅰ；随后将1g冰乙酸、2g水加入淡黄色溶液Ⅰ中；在60℃下搅拌6h，老化24h获得乳白色凝胶；将乳白色凝胶在550℃下煅烧3h，自然冷却至25℃，随后粉碎过筛得325目二氧化钛粉末；

S2将5g六水合硝酸镍加入到150g水中搅拌形成溶液Ⅱ；将10g步骤S1所得二氧化钛粉末加入到溶液Ⅱ中以超声功率80W、频率50kHz，分散30min，随后浸渍12h；过滤后，将不溶物在120℃干燥2h，随后在550℃下煅烧3h，自然冷却至25℃，粉碎过筛得325目二氧化钛粉末，得到掺镍的二氧化钛粉末；

S3将5g步骤S2所得掺镍的二氧化钛粉末、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布的一面，涂布量以掺镍的二氧化钛粉末量计为8g/m²，在60℃干燥3h；得到光触媒熔喷无纺布外层。

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法为：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；

(2)将2g三水合硝酸铜加入到150g水中以300r/min转速搅拌5min形成溶液A；将5g步骤(1)中竹子粉加入到溶液A中，浸渍12h；过滤后，将不溶物在80℃干燥6h；随后在氮气氛围、以5℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，自然冷却至25℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60℃干燥6h，粉碎后过筛得到325目掺铜活性炭；

(3)将5g步骤(2)所得掺铜活性炭、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为50g/m²；在60℃干燥3h，得到活性炭熔喷无纺布；

实施例2

一种PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，其区别仅仅在于：

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法为：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；

(2)将2g三水合硝酸铜、0.02g六亚甲基四胺加入到150g水中以300r/min转速搅拌5min形成溶液A；将5g步骤(1)中竹子粉加入到溶液A中，浸渍12h；过滤后，将不溶物在80℃干燥6h；随后在氮气氛围、以5℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，自然冷却至25℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60℃干燥6h，粉碎后过筛得到325目掺铜活性炭；

(3)将5g步骤(2)所得掺铜活性炭、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为50g/m²；在60℃干燥3h，得到活性炭熔喷无纺布；

实施例3

一种PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，其区别仅仅在于：

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法为：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；

(2)将2g三水合硝酸铜、0.02g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐加入到150g水中以300r/min转速搅拌5min形成溶液A；将5g步骤(1)中竹子粉加入到溶液A中，浸渍12h；过滤后，将不溶物在80℃干燥6h；随后在氮气氛围、以5℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，自然冷却至25℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60℃干燥6h，粉碎后过筛得到325目掺铜活性炭；

(3)将5g步骤(2)所得掺铜活性炭、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为50g/m²；在60℃干燥3h，得到活性炭熔喷无纺布。

实施例4

一种PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，其区别仅仅在于：

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法为：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；

(2)将2g三水合硝酸铜、0.016g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、0.004g六亚甲基四胺加入到150g水中以300r/min转速搅拌5min形成溶液A；将5g步骤(1)中竹子粉加入到溶液A中，浸渍12h；过滤后，将不溶物在80℃干燥6h；随后在氮气氛围、以5℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，自然冷却至25℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60℃干燥6h，粉碎后过筛得到325目掺铜活性炭；

(3)将5g步骤(2)所得掺铜活性炭、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为50g/m²；在60℃干燥3h，得到活性炭熔喷无纺布。

对比例1

一种PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，其区别仅仅在于：

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法为：

(1)将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；

(2)将竹子粉在氮气氛围、以5℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，自然冷却至25℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60℃干燥6h，粉碎后过筛得到325目活性炭；

(3)将5g步骤(2)所得活性炭、0.2g十二烷基苯磺酸钠、150g水在高速分散机1500r/min的分散条件下分散30min，得到涂布液；将涂布液以无气喷涂的方式喷涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为50g/m²；在60℃干燥3h，得到活性炭熔喷无纺布。

对比例2

一种防PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，其区别仅仅在于：活性炭熔喷无纺布内层的制备中用KOH活化活性炭代替活性炭熔喷无纺布内层中的掺铜活性炭。

所述的KOH活化活性炭的制备方法为：将废弃竹子茎秆洗净，在90℃干燥6h；随后粉碎后过筛，得到325目的竹子粉；在25℃下，将325目的竹子粉与5倍质量的KOH混合，5℃/min升温速率升温至750℃，保温2h，自然冷却至25℃；将固体浸泡在2mol/L的盐酸中，用水洗涤至上清液pH＝7.0，将不溶物过滤，置于100℃烘箱干燥6h，随后粉碎后过筛，得到325目的KOH活化活性炭。

对比例3

一种防PM2.5活性炭口罩的制备方法同实施例1基本一致，唯一区别仅仅在于：用KN95熔喷无纺布替代活性炭熔喷无纺布内层。

测试例1活性炭的结构测试

用场发射扫描电子显微镜对本发明实施例1～4、对比例1～2制备的活性炭材料进行形貌测试，结果如图1所示。图1中，A实施例1、B实施例2、C实施例3、D实施例4、E对比例1、F对比例2。对比例1的竹子粉直接煅烧活性炭(图1E)和对比例2的KOH活化活性炭(图1F)可以看出，用KOH活化对竹子结构刻蚀明显，KOH活化竹子粉存在大量无规则的孔结构，显著提高活性炭的比表面积。实施例1添加三水合硝酸铜制备的掺铜活性炭(图1A)整体结构与对比例1相近，表面存在随机分布、明显的球状颗粒(XRD分析为铜或氧化亚铜)，这表明三水合硝酸铜加入后，在高温下被原位还原成低价态的铜物种，镶嵌在活性炭表面。实施例2～4整体与实施例1相近，只是表面的颗粒(经过XRD分析为铜或氧化亚铜)形貌和大小有区别。实施例2(图1B)加入三水合硝酸铜、六亚甲基四胺制备的掺铜活性炭，其表面铜物种明显细化，广泛分散在活性炭表面；实施例3(图1C)加入三水合硝酸铜、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐制备的掺铜活性炭，铜物种变得粗糙、成团分布在活性炭表面；实施例4(图1D)加入三水合硝酸铜、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、六亚甲基四胺制备的掺铜活性炭，铜物种分散最为均匀、没有明显的团聚和大颗粒的存在。这些结果表明，六亚甲基四胺、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐对掺铜活性炭中铜物种的形貌有很大影响。这可能是因为六亚甲基四胺、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐增强了竹子粉在液相环境中和铜离子的作用，六亚甲基四胺加入能细化原位生成的铜物种，1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐能使得铜物种在表面合适分散并能促进分解形成粗糙结构；六亚甲基四胺、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐共同作用使得活性炭表面铜物种结构形貌均匀、表面更加粗糙。

用氮气吸附测试进行比表面积测试测定了本发明实施例1～4、对比例1～2制备的活性炭材料的比表面积，结果如表1所示。

表1活性炭材料的比表面积结果

从对比例1和实施例1的结果看出，加入三水合硝酸铜能增加活性炭的表面积、增大孔径结构，对比例2～4比表面积进一步增大，这表明加入六亚甲基四胺、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐能增强竹子粉的分解引入孔结构，六亚甲基四胺和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复配对竹子粉的刻蚀作用更强。虽然对比例用KOH活化制备的活性炭具有最高的比表面积，其孔径集中在微孔，容易吸附微小杂质失去活性，可能不适用于防PM2.5口罩的制备。

测试例2口罩的性能测试

生活中的接触的PM2.5主要是大小不一的粉尘等非油性颗粒物，较小的颗粒可能进入肺泡，对人体的健康产生影响。因此，非油性颗粒物过滤效率是防PM2.5口罩的重要指标。本发明使用自动化滤料测试仪，在85L±1L/min气流量条件下、用NaCl气凝胶模拟PM2.5，测试了口罩的过滤效率和呼吸阻力；使用的NaCl气凝胶颗粒大小分布符合粒数中值直径0.075μm±0.020μm，几何标准差在1.86范围内，浓度低于200mg/m³。口罩的过滤效率结果如表2所示。

表2口罩的过滤效率

从表2的结果可以看出，对比例1用竹子粉直接碳化制备活性炭和对比例2用KOH活化制备活性炭，作为口罩的过滤内层材料时，过滤效率有限不符合标准。对比例3使用KN95熔喷无纺布作为过滤内层，过滤效率达到了96.7％。对比例4将三水合硝酸铜、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、六亚甲基四胺制备的掺铜活性炭，作为过滤内层的材料时，过滤效率为97.3％。这可能是因为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、六亚甲基四胺加入促进了碳基体分解增加活性炭比表面积的同时，使得活性炭表面铜物种结构形貌均匀、表面更加粗糙，使得掺铜活性炭具有更大的孔径、更多的结合位点，能有效吸附颗粒物。

市场使用的口罩熔喷过滤内层利用电荷的静电力作用捕集空气尘粒，当使用时水分消耗电荷不可避免导致功能层捕集作用失效而需要频繁更换口罩。监测口罩的长效使用性能测试极为重要。本测试利用恒温恒湿箱模拟的人体口腔呼吸环境，在设定温度为37℃、相对湿度为80％环境下放入口罩，每2h取出口罩测试过滤性能，连续测试8h，记录每隔时间段的过滤效率。结果如图2所示。

图2的结果可以看出本发明实施例4制备的口罩在8h的模拟使用中过滤效率没有明显下降，内层过滤材料的持续过滤效果明显优于KN95熔喷布。这些结果表明本发明实施例4制备的口罩具有较好的过滤效率及长期使用性。

Claims (6)

1.一种防PM2.5活性炭口罩的制备方法，其特征在于：以从上至下的顺序将光触媒熔喷无纺布外层、活性炭熔喷无纺布内层、纯棉水刺无纺布面层依次叠起；将鼻梁条置于光触媒熔喷无纺布外层上端的中间位置，用无纺布将鼻梁条覆盖；将两根耳带分别置于光触媒熔喷无纺布外层左右两端；随后热压即可得到防PM2.5活性炭口罩；

所述的光触媒熔喷无纺布外层的制备步骤包括以下步骤：

S1将十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、钛酸四丁酯搅拌混合均匀，得到淡黄色溶液Ⅰ；随后将冰乙酸、水滴加至淡黄色溶液Ⅰ中；在50~70℃下搅拌并老化获得乳白色凝胶；将乳白色凝胶在450~550℃下煅烧3~5h，自然冷却、粉碎过筛，得二氧化钛粉末；

S2将六水合硝酸镍加入到水中搅拌形成溶液Ⅱ；将步骤S1所得二氧化钛粉末加入到溶液Ⅱ中超声分散，随后浸渍10~15h；过滤后将不溶物干燥，随后在450~550℃下煅烧3~5h，自然冷却，粉碎、过筛，得二氧化钛粉末，得到掺镍的二氧化钛粉末；

S3将步骤S2所得掺镍的二氧化钛粉末、十二烷基苯磺酸钠、水分散均匀，得到涂布液；将涂布液涂在熔喷无纺布的一面，涂布量以掺镍的二氧化钛粉末量计为6~8g/m²；烘干；得到光触媒熔喷无纺布外层；

所述的活性炭熔喷无纺布内层的制备方法包括以下步骤：

（1）将废弃竹子茎秆洗净，在80~120℃干燥6~8h；随后粉碎，得到竹子粉；

（2）将2~5重量份三水合硝酸铜、0.02~0.05重量份结构调整剂、加入到100~150重量份水中搅拌形成溶液Ⅱ；将5~10重量份步骤（1）中竹子粉加入到溶液Ⅱ中，浸渍12~15h；过滤后，将不溶物在60~80℃干燥6~8h；随后在惰性气体氛围、650~850℃下煅烧2~5h，自然冷却至20~30℃，将粉末用水和丙酮各洗涤三次，在60~80℃干燥6~8h，粉碎过筛得到300~500目掺铜活性炭；步骤（2）所述的结构调整剂为1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、六亚甲基四胺、乙二胺中的至少一种；

（3）将5~10重量份步骤（2）所得掺铜活性炭、0.2~0.5重量份十二烷基苯磺酸钠、100~150重量份水分散，得到涂布液；将涂布液涂在熔喷无纺布两面上，涂布量以掺铜活性炭量计为30~60g/m²；烘干，得到活性炭熔喷无纺布。

2.如权利要求1所述的防PM2.5活性炭口罩的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的竹子粉目数为300~500目。

3.如权利要求1所述的防PM2.5活性炭口罩的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的结构调整剂为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐与六亚甲基四胺按质量比为（2~4）：1混合得到。

4.如权利要求1所述的防PM2.5活性炭口罩的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中煅烧的升温速率为2~10℃/min。

5.如权利要求1所述的防PM2.5活性炭口罩的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的分散速率为1200~1800r/min。

6.一种防PM2.5活性炭口罩，其特征在于：采用如权利要求1~5任一项所述的方法制备而成。