CN203235358U

CN203235358U - 一种空气过滤膜

Info

Publication number: CN203235358U
Application number: CN 201320257300
Authority: CN
Inventors: 冯冠平; 刘志斌
Original assignee: LEAGUER OPTRONICS (WUXI) CO Ltd
Current assignee: LEAGUER OPTRONICS (WUXI) CO Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-05-13

Abstract

本实用新型涉及一种空气过滤膜，包括：（i）第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜叠合在一起，并在第一透明有机薄膜上开有若干第一通孔，在第二透明有机薄膜上开有相同数目的第二通孔，第一通孔和相对应的第二通孔的直径和位置相一致形成若干条通道；和（ii）夹在两层透明有机薄膜中间的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有若干条裂纹；或在第一通孔和第二通孔形成的每条通道对应的石墨烯薄膜上开有若干第三通孔。本实用新型提供的空气过滤膜可阻挡超小尘粒，完全满足PM2.5的防护需要；同时具有良好的通气性，透明，柔软，可折叠，易于携带，便于安装。

Description

一种空气过滤膜

技术领域

本实用新型属于抗污染空气过滤净化应用领域，涉及一种空气过滤膜及其制备方法，具体涉及一种应用石墨烯材料的超精细空气过滤膜结构及其制备方法。

背景技术

大气环境中的粉尘分为降尘和飘尘两种。所谓降尘是指大气中污染物由自身的重量而沉降的物质。所谓飘尘就是指尘粒在10μm以下的浮游粒子。粉尘中尤其是0.5～5μm的飘尘对人的危害最大，因为这类飘尘中含有多种有毒金属或致癌物。

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。一般空气中大于等于10μm的粉尘在主呼吸道中被拦截下来，大于等于2.5μm但小于10μm的粉尘颗粒通过主气管后，在支气管中被拦截下来。而PM2.5颗粒被人吸入，会进入肺泡，进入血液循环。与较大的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，含有大量有毒有害物质且在大气中的停留时间长、输运距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。《环境空气质量标准》新标准拟于2016年全面实施。京津冀、长三角、珠三角三大地区及九大城市群可能会被强制要求先行监测PM2.5的数据。如何避免吸入这种细小的颗粒物成为大家关注的问题。

现有技术中，普通的纱布等材料由于其空隙的孔径太大，根本无法阻挡PM2.5的通过；而现有的专业过滤装置外观较为庞大，不好携带，限制了其应用；同时专业过滤装置的关键部件是吸附材料，现有的吸附材料有活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石和纳米级二氧化钛等，在空气净化行业，最常用的是活性炭。活性炭是用有机含碳材料炭化、活化而成的，其具有发达的空隙结构，绝大部分孔径＜0.05μm；且比表面积高达1000～2000m²/g。但现有的吸附材料在保证过滤效果的同时，通气性差，气体通过的阻力大，尤其是作为口罩中的过滤材料，吸气阻力大，造成无法长时间使用。

因此，如何开发一种过滤效果好，同时透气性好的空气过滤膜是本领域一个亟待解决的问题，同时，所述的空气过滤膜应当便于携带，外观轻巧，且易于安装。

实用新型内容

针对现有的空气过滤装置无法同时满足过滤效果和透气效果的不足，本实用新型的目的是提供一种空气过滤膜。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种空气过滤膜，所述空气过滤膜包括：

（i）第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜叠合在一起，并在第一透明有机薄膜上开有若干第一通孔，在第二透明有机薄膜上开有相同数目的第二通孔，第一通孔和相对应的第二通孔的直径和位置相一致形成若干条通道；和

（ii）夹在两层透明有机薄膜中间的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有若干条裂纹；或在第一通孔和第二通孔形成的每条通道对应的石墨烯薄膜上开有若干第三通孔。

优选地，所述第一通孔和第二通孔的直径选自10～30μm。

优选地，所述第一通孔和第二通孔的直径选自15～25μm。

优选地，所述第三通孔的直径为0.5～1.5μm。

优选地，所述第三通孔的直径为0.8～1.0μm。

优选地，所述裂纹的宽度为1～2μm。

优选地，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的厚度独立地选自0.01～0.5mm。

优选地，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的厚度独立地选自0.02～0.1mm。

优选地，所述石墨烯薄膜的厚度为1～50nm。

优选地，所述石墨烯薄膜的厚度为3～10nm。

石墨烯是世界上最薄（厚度小于1nm）、强度最高的纳米材料（钢的100倍）；石墨烯薄膜的透光率可达到97.4%，而且化学性能稳定。本实用新型将石墨烯运用到空气过滤膜中，充分发挥石墨烯超薄，透明，高强度的特点，能够满足更广泛的需求。

本实用新型使用两层透明柔软的、均布有细小通孔（直径为10～50μm）的透明有机薄膜为支撑，中间夹有石墨烯薄膜，并在透明有机薄膜开有通孔的对应于石墨烯薄膜的位置开设若干更小的通孔（直径为0.5～1.5μm）。由于透明有机薄膜上开有若干直径较大的通孔，保证了空气过滤膜的透气性；同时由于通孔覆盖的石墨烯薄膜，具有更大的比表面积和更小的空隙直径，且开有0.5～1.5μm的小孔，保证了空气过滤膜的过滤性，能够完全阻挡PM2.5颗粒的同时，不会影响其透气性。

另外，由于石墨烯层具有良好的柔韧性，且使透明材料，配合透明柔软的有机薄膜材料，使本实用新型提供的空气过滤膜具有透明、柔软、携带方便、易于安装的优点。

所述空气过滤薄膜中，第一通孔和第二通孔的直径选自10～30μm，例如11μm、14μm、17μm、19μm、21μm、23μm、26μm、29μm等，优选15～25μm。

优选地，所述第三通孔的直径为0.5～1.5μm，例如0.6μm、0.8μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm等，优选0.8～1.0μm。

优选地，所述裂纹的宽度为1～2μm，例如1.1μm、1.3μm、1.5μm、1.7μm、1.6μm、1.9μm等。

所述空气过滤薄膜的第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的材料独立地选自PVC（聚氯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PS（聚苯乙烯）、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）、POE（乙烯-辛烯共聚物）、PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）或PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）中的任意1种；优选PET、PMMA或PVC中的任意1种。所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的材料可以一致，也可以选择两种不同的材质。

优选地，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的厚度独立地选自0.01～0.5mm，例如0.02mm、0.04mm、0.05mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.12mm、0.14mm、0.17mm、0.19mm、0.22mm、0.24mm、0.27mm、0.29mm、0.32mm、0.34mm、0.37mm、0.39mm、0.42mm、0.44mm、0.47mm、0.49mm、等，优选0.1～0.5mm。

所述空气过滤薄膜的石墨烯薄膜为原子层数为1～10的石墨烯层，优选2～3层的石墨烯层。所述空气过滤薄膜的石墨烯薄膜的原子层数可以为2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层等。

优选地，所述石墨烯薄膜的厚度为1～50nm，例如1.2nm、5.2nm、9.5nm、14nm、19nm、25nm、33nm、40nm、46nm、49nm，优选3-10nm。

本实用新型所述空气过滤膜的制备方法典型但非限制性的有：

当在第一通孔和第二通孔形成的每条通道对应的石墨烯薄膜上开有若干第三通孔时，所述空气过滤膜的制备方法包括如下步骤：

（1）提供两个厚度为0.01～0.5mm的有机透明薄膜，并在相对应位置上激光刻蚀出直径为10～30μm的通孔，得到具有若干第一通孔的第一透明有机薄膜，和具有相同数目第二通孔的第二有机薄膜；

（2）在900～1200℃左右高温下，于管式炉中裂解甲烷、乙炔等碳源气体，在铜箔表面生长形成厚度为1～100nm的石墨烯薄膜；

（3）采用聚甲基丙烯酸甲酯转移法，将石墨烯薄膜转移至第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜之间，并覆盖第一通孔和第二通孔，从而得到依次为第一透明有机薄膜/石墨烯薄膜/第二透明有机薄膜的层状结构；

（4）在石墨烯薄膜上对应于第一通孔和第二通孔的位置上激光刻蚀出直径为0.5～1.5μm的孔，得到若干第三通孔；

（5）根据要求剪裁出合适的形状和尺寸。

或者，当所述石墨烯薄膜具有若干条裂纹时，所述空气过滤膜的制备方法包括如下步骤：

（I）提供两个厚度为0.01～0.5mm的有机透明薄膜，并在相对应位置上激光刻蚀出直径为10～30μm的通孔，得到具有若干第一通孔（104）的第一透明有机薄膜（101），和具有相同数目第二通孔（106）的第二有机薄膜（103）；

（II）在900～1200℃左右高温下，于管式炉中裂解甲烷、乙炔等碳源气体，在铜箔表面生长形成厚度为1-50nm的石墨烯薄膜（102）；

（III）将覆有石墨烯薄膜的铜箔加热至200～400℃，自然冷却至室温，得到具有微裂纹的石墨烯薄膜；

（IV）采用聚甲基丙烯酸甲酯转移法，将石墨烯薄膜（102）转移至第一透明有机薄膜（101）和第二透明有机薄膜（103）之间，并覆盖第一通孔（104）和第二通孔（106），从而得到依次为第一透明有机薄膜（101）/石墨烯薄膜（102）/第二透明有机薄膜（103）的层状结构；

（V）根据要求剪裁出合适的形状和尺寸。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

（1）本实用新型提供的空气过滤膜可阻挡超小尘粒，PM2.5颗粒过滤效率可以达到99%以上，完全满足PM2.5的防护需要，而普通的多层织物对于PM2.5颗粒的过滤效率不会超过80%；

（2）本实用新型提供的空气过滤膜透明，柔软，易于携带，便于安装；

（3）本实用新型提供的空气过滤膜具有良好的通气性，是普通活性炭过滤薄膜透气性的2倍以上，在正常气体流量情况下，过滤器透气性良好，吸气阻力很小，可长时间使用。

附图说明

图1为步骤（1）所得结构剖面示意图；

图2为步骤（3）所得结构剖面示意图；

图3为步骤（4）所得结构剖面示意图；

图4为本实用新型一种实施方式所述空气过滤膜的结构示意图；

图5为本实用新型另一种实施方式所述空气过滤膜的正视结构示意图；

图6为本实用新型第三种实施方式所述空气过滤膜的正视结构示意图；

其中，101-第一透明有机薄膜；102-石墨烯薄膜；103-第二透明有机薄膜；104-第一通孔；105-第三通孔；106-第二通孔；107-裂纹。

具体实施方式

本实用新型所述空气过滤膜典型但非限制性的制备方法包括如下步骤：

（1）提供两个透明薄膜，并在相对应位置上激光刻蚀出通孔，得到具有若干第一通孔104的第一透明有机薄膜101，和具有相同数目第二通孔106的第二有机薄膜103；步骤（1）得到的结构如图2（图2为步骤（1）所得结构剖面示意图）所示；

其中，所述第一通孔和第二通孔的形状本实用新型没有具体限定，可以是圆形、椭圆形、长方形、长条形、方形等；

（2）在1000℃左右高温下，于管式炉中裂解甲烷、乙炔等碳源气体，在铜箔表面生长形成石墨烯薄膜102；

（3）采用聚甲基丙烯酸甲酯转移法，将石墨烯薄膜102转移至第一透明有机薄膜101和第二透明有机薄膜103之间，并覆盖第一通孔104和第二通孔106，从而得到依次为第一透明有机薄膜101/石墨烯薄膜102/第二透明有机薄膜103的层状结构；步骤（3）得到的结构如图3（图3为步骤（3）所得结构剖面示意图）所示；

（4）在石墨烯薄膜102上对应于第一通孔104和第二通孔106的位置上激光刻蚀出通孔，得到若干第三通孔105；步骤（4）得到的结构如图4（图4为步骤（4）所得结构剖面示意图）所示；

（5）根据要求剪裁出合适的形状和尺寸。

为便于理解本实用新型，本实用新型列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。

实施例1

一种空气过滤膜，包括：

（i）第一透明有机薄膜101和第二透明有机薄膜103，所述第一透明有机薄膜101和第二透明有机薄膜103叠合在一起，并在第一透明有机薄膜101上利用激光开出若干第一通孔104，在第二透明有机薄膜103上利用激光开出相同数目的第二通孔106，第一通孔104和相对应的第二通孔106的直径和位置相一致形成若干条通道；

其中，所述第一通孔104和相应的第二通孔的直径和位置一致，直径为10～30μm；所述第一通孔104和第二通孔为圆形孔；

所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的材料为PP，厚度为0.1～1mm；

所述石墨烯薄膜厚度为1～100nm；

（ii）夹在两层透明有机薄膜中间的石墨烯薄膜102，并在每条通道对应的石墨烯薄膜102上开有若干第三通孔105；所述第三通孔105的直径为0.5～1.5μm；

实施例1所述空气过滤膜结构如图4所示（图4为本实用新型实施例1所述空气过滤膜的结构示意图）。

实施例2

一种空气过滤膜，层状结构与实施例1相同，仅第一通孔和第二通孔的形状为长条状，如图5所示（图5为本实用新型实施例2所述空气过滤膜的正视结构示意图）。

实施例3

一种空气过滤膜，与实施例1的区别在于石墨烯薄膜具有微裂纹107，如图5所示（图6为本实用新型实施例3所述空气过滤膜的正视结构示意图）。

实施例4

一种如实施例1所示的空气过滤膜的制备方法包括如下步骤：

（1）提供两个厚度为0.1～1mm的PP透明薄膜，并在相对应位置上利用等离子体刻蚀法刻蚀出直径为10～30μm的通孔，得到具有若干第一通孔104的第一透明有机薄膜101，和具有相同数目第二通孔（图4中未示出）的第二有机薄膜103；所述第一通孔104和第二通孔为圆形孔；

（2）在1200℃高温下，于管式炉中裂解甲烷、乙炔等碳源气体，在铜箔表面生长形成厚度为1nm左右的石墨烯薄膜；

（3）采用聚甲基丙烯酸甲酯转移法，将多层石墨烯薄膜102（厚度为1～30nm）转移至第一透明有机薄膜101和第二透明有机薄膜103之间，并覆盖第一通孔104和第二通孔，从而得到依次为第一透明有机薄膜101/石墨烯薄膜102/第二透明有机薄膜103的层状结构；

（4）在石墨烯薄膜102上对应于第一通孔104和第二通孔的位置上激光刻蚀出直径为0.5～1.5μm的孔，得到若干第三通孔105；

（5）根据要求剪裁出合适的形状和尺寸。

实施例5

一种空气过滤膜（参照图6所示的结构）的制备方法包括如下步骤：

（I）提供两个厚度为0.1mm的PET透明薄膜，并在相对应位置上激光刻蚀出直径为30μm的通孔，得到具有若干第一通孔的第一透明有机薄膜，和具有相同数目第二通孔的第二有机薄膜；

（II）在1200℃左右高温下，于管式炉中裂解甲烷、乙炔等碳源气体，在铜箔表面生长形成厚度为0.5nm的石墨烯薄膜；

（III）将附有石墨烯薄膜的铜箔重新加热到900℃，并自然冷却至室温，得到带有微裂纹的石墨烯薄膜，裂纹宽度为1～2μm；

（IV）采用聚甲基丙烯酸甲酯转移法，将2～3层石墨烯薄膜转移至第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜之间，并覆盖第一通孔和第二通孔，从而得到依次为第一透明有机薄膜/石墨烯薄膜/第二透明有机薄膜的层状结构；

（V）根据要求剪裁出合适的形状和尺寸。

对比例

市购3M8247活性炭防毒口罩R95为对比例1

市购3M多层织物口罩KN90为对比例2

性能测试：

PM2.5颗粒过滤效率的测试方法：参照国标GB/T6223-1997自吸过滤式防微粒口罩试验方法，检测阻挡0.3μm钠盐气溶胶效果。检测步骤如下：将过滤膜安装在试验模型上，置于试验柜中，启动氯化钠发生器，将0.3μm的氯化钠气溶胶以90L/min的流量送入柜中，用钠焰光度测试仪测定柜中气溶胶浓度大于1mg/m³后，开动抽气泵，以30L/min的流量通过被测过滤膜，并用钠焰光度测试仪测定过滤膜后的氯化钠气溶胶浓度，以内外浓度之差与外浓度（即过滤前）之比值即为过滤膜的过滤效率，用百分数表示。

气流阻力的测试方法：参照国标GB/T6223-1997自吸过滤式防微粒口罩试验方法，原理是将被试过滤膜安装在试验模型上，以一定的气流通过口罩，抽气所形成的负压值为吸气阻力，结果以Pa表示。检测步骤如下：开动抽气泵，以30L／min流量通过不戴过滤膜的试验模型，测出检验装置系统阻力P1。将被试过滤膜安装在试验模型上，以30L／min流量通过滤膜，测出安装过滤膜时的阻力P2。P2-P1即为过滤膜阻力：

透光率的测试方法：将样品放置在分光光度计样品台上，测试仪器将一定波长的光照射样品，测得该波长光的透过率。

性能测试结果如表1所示：

表1本实用新型实施例和对比例的性能测试结果

项目	实施例	对比例1	对比例2
				PM2.5颗粒过滤效率	>99%	>90%	<80%
吸气阻力	51～34Pa	94～74Pa	80～60Pa
				透光率（波长550nm）	>70%	<1%	<5%

由性能测试结果可以看出，本实用新型提供的空气过滤膜可阻挡超小尘粒，PM2.5颗粒过滤效率可以达到99%以上，完全满足PM2.5的防护需要，而普通的多层织物对于PM2.5颗粒的过滤效率不会超过80%；且本实用新型提供的空气过滤膜具有良好的通气性，是普通活性炭过滤薄膜透气性的2倍左右，在正常气体流量情况下，过滤器透气性良好，吸气阻力很小，可长时间使用。

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型所述空气过滤薄膜的结构，但本实用新型并不局限于上述具体结构，即不意味着本实用新型必须依赖上述具体结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型产品各原料的等效替换及具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种空气过滤膜，其特征在于，所述空气过滤膜包括：

（i）第一透明有机薄膜（101）和第二透明有机薄膜（103），所述第一透明有机薄膜（101）和第二透明有机薄膜（103）叠合在一起，并在第一透明有机薄膜（101）上开有若干第一通孔（104），在第二透明有机薄膜（103）上开有相同数目的第二通孔（106），第一通孔（104）和相对应的第二通孔（106）的直径和位置相一致形成若干条通道；和

（ii）夹在两层透明有机薄膜中间的石墨烯薄膜（102），所述石墨烯薄膜具有若干条裂纹（107）；或在第一通孔（104）和第二通孔（106）形成的每条通道对应的石墨烯薄膜（102）上开有若干第三通孔（105）。

2.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第一通孔（104）和第二通孔（106）的直径选自10～30μm。

3.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第一通孔（104）和第二通孔（106）的直径选自15～25μm。

4.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第三通孔（105）的直径为0.5～1.5μm。

5.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第三通孔（105）的直径为0.8～1.0μm。

6.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述裂纹（107）的宽度为1～2μm。

7.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的厚度独立地选自0.01～0.5mm。

8.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述第一透明有机薄膜和第二透明有机薄膜的厚度独立地选自0.02～0.1mm。

9.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜（102）的厚度为1～50nm。

10.如权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜（102）的厚度为3～10nm。