CN207870326U - 一种自驱动式压电防雾霾口罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自驱动式压电防雾霾口罩，所述口罩的主体包括压电防霾多层复合过滤膜和涡轮风机，所述压电防霾多层复合过滤膜包括依次设置的压电过滤层、除菌滤网层和活性炭过滤层。形成压电过滤层的材料的静电吸附效应不仅吸附效率高、风阻低，且无需外加高压输入，因而不产生臭氧，减少了二次污染，实现真正意义上的环保。将所述口罩置于外界环境中，利用涡轮风机产生的微弱压力即可实现利用静电吸附空气中的雾霾颗粒物。

Description

一种自驱动式压电防雾霾口罩

技术领域

本实用新型属于驻极体空气净化技术领域，具体涉及一种自驱动式压电防雾霾口罩。

背景技术

目前，解决人体在室外活动时的环境空气质量问题最直接、有效的途径就是利用佩戴防雾霾口罩对颗粒物进行过滤。而过滤材料则是防雾霾口罩过滤中的核心元件，是直接关系到空气中颗粒物过滤效率的关键因素。传统的过滤材料主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻挡作用，通过纤维网格对空气微粒进行捕获和过滤。但是纤维网格过滤主要针对粒径和重力比较大的颗粒物，对于过滤亚微米级别的颗粒物的效果并不理想。如果进一步减小滤网孔径，增加纤维的密实度，则空气阻力随之也增大，人体活动时呼吸阻力大，舒适度大大降低，进而影响了人体的正常活动。

针对口罩中普通纤维过滤材料中存在的上述问题，一些新型吸附材料，如驻极滤料，复合滤料等的发现和使用引起了广泛的关注。尤其是驻极体空气过滤材料，因其具有高效、低阻、节能、抗菌等优点，是一类非常有应用前景的新型空气过滤材料。这类材料除了具备惯性碰撞、拦截效应、扩散效应等传统滤料作用机理外，还通过库仑力实现对空气微粒的捕获。当空气微粒经过过滤器时，静电力不仅能有效地吸引带电微粒，而且还能以静电感应效应捕获极化的中性粒子，因此具有高效性。相对稀疏的构造在无效率降低的情况下，保证了对气流通过的最小阻力。例如，国外最有名的口罩生产厂商美国3M公司的颗粒物防护口罩就是采用静电纤维，能够过滤超细粉尘。此外，3M公司和美国 DuPont公司还是国际市场上粉尘防护服的主要生产商。

目前，用作空气过滤的驻极体材料主要以高介电常数的储能材料为主，这些材料最大的优点是储能高，放电时间长；但注入电荷的过程十分复杂，每次注入电荷都需要高电场极化，这给实际中的应用带来了很大不便，大大降低了其使用寿命。这不仅给实际中的应用带来了很大不便，而且驻极体聚合物的介电损耗也大大降低了其使用寿命。由于注入的电荷在储存、运输、使用过程中随着环境变化尤其是湿度增加时快速耗散，而无法对静电荷进行补充，因而只能单次使用，大大增加了成本，并且驻极体材料的大量使用，也对环境造成了二次污染。另外，驻极体滤料纤维的生产工艺要求较高，注入电荷的过程十分复杂，且由于大气微粒中带电电荷的中和作用或微粒沉积产生静电力的屏蔽作用使得滤料表面电荷衰减较快，吸附效率降低，耐湿耐热性能差，容易老化等，以及消防要求必须选用不燃材料和火灾时不发生有毒气体的材料等原因，很大程度上限制了有机驻极体滤料的应用，目前还没有这类材料制备的防雾霾口罩的报道。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种自驱动式压电防雾霾口罩，其包括压电防霾多层复合过滤膜和涡轮风机；将所述口罩置于外界环境中，利用涡轮风机产生的压力即可实现利用静电吸附空气中的雾霾颗粒物。

本实用新型提供如下技术方案：

一种自驱动式压电防雾霾口罩，所述口罩的主体包括压电防霾多层复合过滤膜和涡轮风机；

其中，所述压电防霾多层复合过滤膜包括依次设置的压电过滤层、除菌滤网层和活性炭过滤层；

其中，所述压电过滤层为无纺布层，所述无纺布层由具备压电效应的复合材料和作为无纺布层基体材料的聚丙烯(PP)制备得到，所述复合材料包括铌酸锂颗粒和聚合物驻极体，其中，所述聚合物驻极体作为基体，所述铌酸锂颗粒作为填充材料；

所述口罩在涡轮风机的压力驱动下，使过滤膜表面反复产生电荷，通过静电相互作用高效吸附雾霾颗粒。

其中，所述口罩的主体包括依次设置的压电防霾多层复合过滤膜，口罩透气中壳，涡轮风机和电机。

其中，所述口罩的主体包括依次设置的口罩前壳，压电防霾多层复合过滤膜，口罩透气中壳，涡轮风机，电机和硅胶面罩。

其中，所述压电防霾多层复合过滤膜还包括设置在压电过滤层外侧的与口罩前壳接触的外支撑膜层。

其中，所述压电防霾多层复合过滤膜还包括设置在活性炭过滤层外侧的与口罩透气中壳接触的内支撑膜层。

其中，所述压电防霾多层复合过滤膜包括依次设置的外支撑膜层、压电过滤层、除菌滤网层、活性炭过滤层和内支撑膜层。

其中，所述外支撑膜层和内支撑膜层为无纺布层，所述无纺布分别独立地选自纺粘布或SMS无纺布(Spunbond+Meltblown+Spunbond Nonwovens，又称复合无纺布)。其中，所述纺粘布或SMS无纺布采用具有憎水性的聚丙烯(PP) 材料制得。再有，所述纺粘布或SMS无纺布的克重为50-60g/m²。

其中，所述压电过滤层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将铌酸锂颗粒与聚合物驻极体通过双螺杆挤出机进行均匀混合，制备得到母粒；将上述制备的母粒和PP共混后通过熔融喷涂制备成无纺布。

其中，所述铌酸锂颗粒为单畴取向极化后的铌酸锂颗粒；所述聚合物驻极体为任意一种聚合物驻极体，如聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 等。

其中，所述单畴取向极化后的铌酸锂颗粒的粒径为100纳米至10微米，优选为1微米至5微米。所述颗粒物的质量百分含量为0.1wt.％-10wt.％，优选 1wt.％-3wt.％.

其中，形成所述压电过滤层的无纺布层的复合材料中还包括碳纳米管，所述碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

其中，所述压电过滤层中的无纺布的克重为20-40g/m²，例如为30g/m²。

其中，所述的除菌滤网层为无纺布层，所述无纺布层由具备抑菌除菌效应的复合材料制备得到，所述复合材料包括抑菌除菌纳米颗粒与聚丙烯(PP)，其中，所述聚丙烯作为基体，所述抑菌除菌纳米颗粒作为填充材料。

其中，所述除菌滤网层中的无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将抑菌除菌纳米颗粒与PP共混，再通过熔融喷涂制备成无纺布。

其中，所述除菌滤网层中的无纺布的克重为20-40g/m²，例如为30g/m²。

其中，所述的活性炭过滤层选用碳纤维无纺布。

其中，所述碳纤维无纺布采用包括以下步骤的方法制备：将碳纤维加热活化，再采用静电纺丝的方法制备成无纺布。

其中，所述硅胶面罩采用食品级硅胶，实现良好的密封性能、面部的贴合性能以及降低重量。

其中，所述压电口罩的产压设备为涡轮风机，该涡轮风机通过可充电电池提供动力。该充电电池为商用电池。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的口罩中采用了由具备压电效应的复合材料制备得到无纺布构成的压电过滤层，所述复合材料包括铌酸锂颗粒和聚合物驻极体(如聚丙烯)，其中，所述聚合物驻极体作为基体，所述铌酸锂颗粒作为填充材料。该复合材料是一种受到压力刺激或温度刺激以后表面带有束缚电荷的材料。这种材料极化操作简单，加工工艺简单、成本低廉、安全无毒。由于电荷可通过简单的温度或压力刺激而快速再生，因而能够实现所述材料的重复使用。该材料的静电吸附效应不仅吸附效率高、风阻低，且无需外加高压输入，因而不产生臭氧，非常适合于用作多功能防雾霾口罩等方面的应用，减少了二次污染，实现真正意义上的环保。

发明人经过大量的实验研究发现，改性后的铌酸锂晶体颗粒(即单畴取向极化后的铌酸锂颗粒)是一类典型的压电无机驻极体材料，具有压电效应。所谓压电效应是指，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。本实用新型中，以口罩过滤装置中常用的聚合物驻极体聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)等作为基体，以单畴取向极化后的铌酸锂作为填充材料，制备了具有压电效应的铌酸锂/聚合物驻极体复合材料，简记为压电复合材料。利用熔喷法将制备的压电复合材料制备成具有一定规格的无纺布，并将其制作成口罩，利用其压电效应，实现对大气中的极细污染颗粒物的静电吸附。

附图说明

图1为本实用新型的压电防雾霾口罩的结构示意图。

图2为本实用新型的压电防雾霾口罩中的压电过滤膜的构造图。

图3为本实用新型的压电防雾霾口罩在不同档风速下的压电效应。

图4为本实用新型的压电防雾霾口罩在涡轮风机作用下对雾霾颗粒物的静电吸附效应。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。此外，应理解，在阅读了本实用新型所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所限定的保护范围之内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

一种自驱动式压电防雾霾口罩，该压电防雾霾口罩主要由涡轮风机、压电防霾多层复合过滤膜及附加结构等部件构成。具体的，如图1所示，该压电防雾霾口罩包括依次设置的口罩前壳1，压电防霾多层复合过滤膜2，口罩透气中壳3，涡轮风机4，电机5和硅胶面罩6。

上述压电防雾霾口罩的压电防霾多层复合过滤膜主要包括几部分，如图2所示，所述压电防霾多层复合过滤膜2包括与口罩前壳接触的外支撑膜层21以及与口罩透气中壳接触的内支撑膜层25。外支撑膜层21和内支撑膜层25为聚丙烯 (PP)纺粘布或SMS无纺布。外支撑膜层21与内支撑膜层25之间设有多级过滤复合内芯，包括压电过滤层22、除菌滤网层23和活性炭过滤层24，即所述过滤膜2包括依次设置的与口罩前壳接触的外支撑膜层21、压电过滤层22、除菌滤网层23、活性炭过滤层24和与口罩透气中壳接触的内支撑膜层25。

无纺布作为新一代的环保材料，具有防潮、透气、柔韧、无毒、无刺激性等优点，用作口罩制作材料非常合适。本实用新型中，尤其是通过选用铌酸锂与聚丙烯(PP)复合材料无纺布作为压电过滤层，在涡轮风机，口鼻呼吸等压力驱动下，可以使过滤膜表面反复产生电荷，通过静电相互作用高效吸附雾霾颗粒。

涡轮风机开始启动时，由于风压的作用，使铌酸锂与聚丙烯复合材料无纺布中的纤维结构产生形变，并快速产生大量静电荷。其风速有3档可调，当风速逐渐增加时，其压电效应更为显著，如图3所示。

在涡轮风机提供的压力作用下，产生的静电荷能对雾霾颗粒物尤其是超细颗粒物实现主动吸附。如图4所示。图4a为没有风压作用下的吸附效果，依靠颗粒物的自然沉降作用下的SEM图，图4b为依靠涡轮风机驱动下的压电效应对雾霾颗粒物的吸附结果。由于在同样的静电力下，电荷更易于吸附质量较轻的颗粒物，因此所述压电防雾霾口罩的压电防霾多层复合过滤膜可以实现对超细颗粒物的吸附，如图4c、图4d所示。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种自驱动式压电防雾霾口罩，其特征在于，所述口罩的主体包括压电防霾多层复合过滤膜和涡轮风机，所述压电防霾多层复合过滤膜包括依次设置的压电过滤层、除菌滤网层和活性炭过滤层；所述压电过滤层为无纺布层，所述无纺布层由具备压电效应的复合材料和作为无纺布层基体材料的聚丙烯制备得到，所述复合材料包括铌酸锂颗粒和聚合物驻极体，其中，所述聚合物驻极体作为基体，所述铌酸锂颗粒作为填充材料；

所述口罩在涡轮风机的压力驱动下，使过滤膜表面反复产生电荷，通过静电相互作用高效吸附雾霾颗粒。

2.根据权利要求1所述的口罩，其特征在于，所述口罩的主体包括依次设置的压电防霾多层复合过滤膜，口罩透气中壳，涡轮风机和电机。

3.根据权利要求1所述的口罩，其特征在于，所述口罩的主体包括依次设置的口罩前壳，压电防霾多层复合过滤膜，口罩透气中壳，涡轮风机，电机和硅胶面罩。

4.根据权利要求1-3任一项所述的口罩，其特征在于，所述压电防霾多层复合过滤膜还包括设置在压电过滤层外侧的与口罩前壳接触的外支撑膜层。

5.根据权利要求1-3任一项所述的口罩，其特征在于，所述压电防霾多层复合过滤膜还包括设置在活性炭过滤层外侧的与口罩透气中壳接触的内支撑膜层。

6.根据权利要求1-3任一项所述的口罩，其特征在于，所述压电防霾多层复合过滤膜包括依次设置的外支撑膜层、压电过滤层、除菌滤网层、活性炭过滤层和内支撑膜层。

7.根据权利要求4所述的口罩，其特征在于，所述外支撑膜层为无纺布层，所述无纺布分别独立地选自纺粘布或SMS无纺布，所述纺粘布或SMS无纺布的克重为50-60g/m²。

8.根据权利要求5所述的口罩，其特征在于，所述内支撑膜层为无纺布层，所述无纺布分别独立地选自纺粘布或SMS无纺布，所述纺粘布或SMS无纺布的克重为50-60g/m²。

9.根据权利要求6所述的口罩，其特征在于，所述外支撑膜层和内支撑膜层为无纺布层，所述无纺布分别独立地选自纺粘布或SMS无纺布，所述纺粘布或SMS无纺布的克重为50-60g/m²。

10.根据权利要求1-3任一项所述的口罩，其特征在于，所述压电过滤层中的无纺布的克重为20-40g/m²。

11.根据权利要求1-3任一项所述的口罩，其特征在于，所述的除菌滤网层为无纺布层，所述无纺布层由具备抑菌除菌效应的复合材料制备得到，所述复合材料包括抑菌除菌纳米颗粒与聚丙烯，其中，所述聚丙烯作为基体，所述抑菌除菌纳米颗粒作为填充材料；所述除菌滤网层中的无纺布的克重为20-40g/m²；

所述的活性炭过滤层选用碳纤维无纺布。