CN116623365B - 一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法，包括以下步骤，利用旋转射流纺丝同时制备负载吸附、催化及亲水等功能材料的细纤维和粗纤维，得到粗细交替的蓬松纤维集合体，进一步整理定型形成高温防护面罩材料。本发明中通过调节粗细纤维之比，降低了过滤阻力；且亲水材料含量沿着垂直纤维集合体一侧方向不断递增，提供了单向导湿功能。本发明生产效率高、流程短，操作方便；制备的材料比表面积大，孔隙率高，空气过滤性能优良。本发明还通过对材料进行选择，提高了纤维集合体红外辐射热透过特性，满足了高温作业人员对面罩材料防护性和穿戴舒适性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及高温防护材料领域，具体涉及一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法。
背景技术
随着工业化进程的不断发展，高温厂房、车间，高温锅炉、管道的数量越来越多，规模越来越大，作业人员包括操作工人和检验检测人员的作业时间也大大增加。在这些高温环境中作业，高温防护口罩及面罩是重要的防护用具。目前，常规口罩主要采用熔喷材料、纳米纤维材料及微孔膜材料，这些材料多为单一尺度结构，必须保证内部的孔隙足够小以实现过滤效果，但时间稍长就会导致这种结构的孔隙被阻塞，使得过滤效果下降，且这些材料所制备的口罩仅能够满足日常工作及常温环境使用，难以满足高温防护的要求。
为提升口罩的防水、吸水、吸附、催化及耐磨等功能，采用功能材料涂层或者颗粒物填充的相关技术已经十分成熟。比如，公开号为CN15226976A的中国专利申请，一镀覆银锌抗菌涂层口罩的制备工艺，将抗菌剂等功能材料一起涂覆于口罩表面，但是材料整体的孔隙度下降，导致过滤阻力增大，降低了呼吸舒适性。公开号为CN109744615B中国专利《一种防护口罩》，将吸水材料和吸附材料填充在口罩中，利用吸水材料吸收人体呼吸的水汽后纤维材料膨胀暴露出吸附材料进而吸附有毒气体的技术方案，但是其依赖人体自主呼吸的水汽，功能发挥存在窗口时间且波动大，同时，材料膨胀后进一步堵塞了口罩的孔隙，容易造成呼吸不畅。公开号为CN111249638B的中国专利申请，一种基于全纤维驻极体发电机的高效防护口罩及其制备方法，基于全纤维驻极体发电机的高效防护口罩，提高了驻极体的作用时间，但是在某些车间、厂房、锅炉或者管道内对静电荷有着十分严格的限制，若长时间使用连续发生高压静电荷的口罩，在作业或者检查过程中，或引发不必要的安全事故。为提高呼吸舒适性，公开号为CN106418858B的中国专利申请，一种基于电力检修作业具有多重模块通信传输的戴具，具体介绍了一种通过嵌入粗纤维多孔材料提供呼吸缓冲作用，但是该技术方案无法满足高温防护的要求。此外，新兴的气凝胶材料逐渐被应用于高温过滤领域，但是其结构稳定，一般硬度、刚性较大，柔性较差，难以满足人体穿戴舒适需求。
因此，开发一种既能够满足高温过滤防护要求，又能满足人体穿戴舒适性的高温防护面罩是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法，其能够很好地解决现有技术中闷热潮湿、透气性差、舒适性差及不耐高温等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法，具体步骤包括：利用旋转射流纺丝制备粗纤维、细纤维交替的蓬松纤维集合体；烧结、定型后形成高温防护面罩材料；纤维集合体中细纤维负载功能材料；
所述功能材料包括吸附材料、催化材料以及亲水材料中的一种或两种以上的组合；
所述吸附材料包括沸石纳米颗粒、蛭石纳米颗粒以及硅酸钙纳米颗粒中的一种或两种以上的组合；
所述催化材料包括电气石纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒以及氧化锌纳米颗粒中一种或两种以上的组合；
所述亲水材料包括二氧化硅纳米颗粒、氧化锡纳米颗粒以及氧化锆纳米颗粒中的一种或两种以上的组合。
优选地，旋转射流纺丝的旋转速度为2000至4000转每分钟。
优选地，所述细纤维直径为100纳米至1微米；粗纤维直径为1微米至10微米。
优选地，所述细纤维为具有红外透过特性的原料，包括聚四氟乙烯、氧化铝以及二氧化钛中的一种或两种以上的组合。
优选地，所述粗纤维原料包括聚苯硫醚、聚酰亚胺以及聚醚醚酮中的一种或者两种以上的组合。
优选地，所述吸附材料包括沸石纳米颗粒、蛭石纳米颗粒以及硅酸钙纳米颗粒中的一种或两种以上的组合；
所述催化材料包括电气石纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒以及氧化锌纳米颗粒中一种或两种以上的组合；
所述亲水材料包括二氧化硅纳米颗粒、氧化锡纳米颗粒以及氧化锆纳米颗粒中的一种或两种以上的组合；上述纳米颗粒粒径为10至1000纳米。
优选地，所述亲水材料含量沿着垂直纤维集合体一侧方向递增。
优选地，烧结温度为250至350℃，烧结时间为1至10小时。
优选地，功能材料中包含的纳米颗粒的粒径为10至1000纳米。
优选地，防护面罩材料具有阻燃耐高温特性，极限氧指数超过30，耐温范围为200至400℃。
优选地，所述防护面罩材料轻质且柔软，克重为10至100克每平方米，厚度为2至10毫米，抗弯长度为10至100毫米。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中采用旋转射流纺丝同时制备负载功能材料的细纤维和粗纤维，生产效率高；原料选择范围广，能够满足多层次多元化市场需求；
(2)本发明中粗细纤维交替的蓬松纤维集合体实现了粗纤维对细纤维的保护，同时提供了良好的透气性；
(3)本发明中通过控制防护面罩材料中的亲水材料的单向增加或减少，实现了单向导湿功能，减少佩戴者的潮闷感；
(4)本发明中采用耐高温原料和功能材料，实现了对有毒气体的吸附分解，增加了阻燃耐高温功能，提高了高温作业人员安全级别。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料制备流程图；
图2为本发明实施例提供的粗细纤维交替形貌电镜图；
图3为本发明实施例提供的防护面罩材料实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
实施例1：如图1所示，一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法，具体步骤为：
将含有聚四氟乙烯(100份)，和沸石纳米颗粒(1份)、电气石纳米颗粒(1份)及二氧化硅纳米颗粒(1份)的纺丝液A和含有聚苯硫醚(100份)的纺丝液B分别加入分腔喷丝器的两个腔体中并密封；
启动电机，其转速为2000转每分钟；待纺丝液纺完后继续加入同等体积的纺丝液A和纺丝液B，其中，纺丝液A中二氧化硅纳米颗粒含量为2份，其他保持不变，继续纺制；
每份纺丝液纺制完以后，继续增加纺丝液A中的二氧化硅纳米颗粒份数，直至获得一定厚度的蓬松纤维集合体；粗细纤维交替形貌参见图2，其中，聚四氟乙烯/沸石/电气石纤维直径为1微米，聚苯硫醚纤维直径为10微米，沸石粒径为1000纳米，电气石粒径为1000纳米，二氧化硅粒径为1000纳米。
将蓬松纤维集合体进行烧结，烧结温度为250℃，烧结时间为10小时，获得防护面罩材料，参见图3；该材料的极限氧指数为90，耐热温度为200℃，克重为10克每平方米，厚度为2毫米，抗弯长度为10毫米，PM2.5拦截效率为90.12％，过滤阻力为20帕。
实施例2，具体步骤为：
将含有聚四氟乙烯(90份)及氧化铝(10份)，和蛭石那纳米颗粒(1份)、氧化铈纳米颗粒(1份)及氧化锡纳米颗粒(1份)的纺丝液A和含有聚酰亚胺(100份)的纺丝液B分别加入分腔喷丝器的两个腔体中；
密封后启动电机，其转速为3000转每分钟；待纺丝液纺完后继续加入同等体积的纺丝液A和纺丝液B，其中，纺丝液A中氧化锡纳米颗粒含量为2份，其他保持不变，继续纺制；
每份纺丝液纺制完以后，继续增加纺丝液A中的氧化锡纳米颗粒份数，直至获得一定厚度的蓬松纤维集合体。其中，聚四氟乙烯-氧化铝/蛭石/氧化铈/氧化锡纤维直径为500纳米，聚酰亚胺纤维直径为5微米，蛭石粒径为500纳米，氧化铈粒径为100纳米，氧化锡粒径为500纳米。
将蓬松纤维集合体进行烧结，烧结温度为300℃，烧结时间为4小时，获得防护面罩材料；该材料的极限氧指数为92，耐热温度为350℃，克重为30克每平方米，厚度为4毫米，抗弯长度为50毫米，PM2.5拦截效率为95.33％，过滤阻力为35帕。
实施例3，具体步骤为：
将含有聚四氟乙烯(90份)、氧化铝(5份)及二氧化钛(5份)，和硅酸钙纳米颗粒(1份)、氧化锌纳米颗粒(1份)及氧化锆纳米颗粒(1份)的纺丝液A和含有聚醚醚酮(100份)的纺丝液B分别加入分腔喷丝器的两个腔体中；
密封后启动电机，其转速为4000转每分钟；待纺丝液纺完后继续加入同等体积的纺丝液A和纺丝液B，其中，纺丝液A中氧化锆纳米颗粒含量为2份，其他保持不变，继续纺制；
每份纺丝液纺制完以后，继续增加纺丝液A中的氧化锆纳米颗粒份数，直至获得一定厚度的蓬松纤维集合体。其中，聚四氟乙烯-氧化铝-二氧化钛/硅酸钙/氧化锌/氧化锆纤维直径为100纳米，聚醚醚酮纤维直径为1微米，硅酸钙粒径为10纳米，氧化锌粒径为10纳米，氧化锆粒径为10纳米。
将蓬松纤维集合体进行烧结，烧结温度为350℃，烧结时间为1小时，获得防护面罩材料；该材料的极限氧指数为95，耐热温度为400℃，克重为100克每平方米，厚度为10毫米，抗弯长度为100毫米，PM2.5拦截效率为99.55％，过滤阻力为50帕。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种高效低阻导湿降热高温防护面罩材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：利用旋转射流纺丝制备粗纤维、细纤维交替的蓬松纤维集合体；烧结、定型后形成高温防护面罩材料；纤维集合体中细纤维负载功能材料；
所述细纤维直径为100纳米至1微米；粗纤维直径为5微米至10微米；
防护面罩材料轻质且柔软，克重为10至100克每平方米，厚度为2至10毫米，抗弯长度为10至100毫米；
所述功能材料包括吸附材料、催化材料以及亲水材料中的一种或两种以上的组合；所述亲水材料含量沿着垂直纤维集合体一侧方向递增；
所述吸附材料包括沸石纳米颗粒、蛭石纳米颗粒以及硅酸钙纳米颗粒中的一种或两种以上的组合；
所述催化材料包括电气石纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒以及氧化锌纳米颗粒中一种或两种以上的组合；
所述亲水材料包括二氧化硅纳米颗粒、氧化锡纳米颗粒以及氧化锆纳米颗粒中的一种或两种以上的组合。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：旋转射流纺丝的旋转速度为2000至4000转每分钟。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述细纤维为具有红外透过特性的原料，包括聚四氟乙烯、氧化铝以及二氧化钛中的一种或两种以上的组合。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述粗纤维原料包括聚苯硫醚、聚酰亚胺以及聚醚醚酮中的一种或者两种以上的组合。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：功能材料中包含的纳米颗粒的粒径为10至1000纳米。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：烧结温度为250至350℃，烧结时间为1至10小时。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：防护面罩材料具有阻燃耐高温特性，极限氧指数超过30，耐温范围为200至400℃。
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