CN104740934A - 一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料是以无毒高分子聚合物PVB作为基质，采用静电纺丝技术，运用立体模型作为接收装置一次性织就而得到的静电纺微纳米纤维膜；所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2~1.5微米之间。本发明公开了一种过滤效果优良、透气性好、立体形状与人脸部密合程度高，本身无潜在有害因素、安全可靠，同时又制作简单的可以高效截留PM2.5及PM1.0等可吸入颗粒物的口罩过滤材料及口罩。此外，本发明的一次性成立体膜的制备方法简化了立体型口罩的制作过程，同时提高了产品成品率，因而能有效地降低成本，适合工业化生产。

Description

一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用制品领域，具体涉及一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料及其制备方法。 

背景技术

随着我国经济持续高速发展，城市化和工业化进程日益加快，各种大气污染物急剧增加。发达国家在上百年发展过程中不断出现的大气环境问题，现已在我国集中涌现，2013年的1月份已成为我国众多城市包括北京上海武汉广州等大城市在内50年来雾霾天气最多的月份。目前，影响我国城市空气质量的主要污染物是大气中漂浮的粒径＜2.5微米的微细颗粒物，严重威胁着人们的健康。

目前市面上的口罩大多由单层或多层棉布、纱布、无纺布或塑料布等材质制成，这些口罩只能截留较大的颗粒物质，如杜建等在“医用防护口罩防护效率及佩戴时间的研究”中指出，12层纱布滤材对于0.3微米颗粒的过滤效率只有32.3%，24层纱布则也仅为43.9%。通过熔喷无纺布作为滤材的口罩其过滤效率可以达到90、95甚至99以上，然而透气性不佳，佩戴舒适性差，若作为日常雾霾天气出行会使用不便，尤其是老年人、儿童或身体虚弱者更是不宜使用。

静电纺丝是一种制造超细纤维的重要方法，特别是采用有机聚合物静电纺丝制备的滤材，具有质轻、过滤吸附作用强、透气性好、对PM2.5等可吸入颗粒物截留率高等特点，因而这种方法已开始用在研究能截留PM2.5的口罩过滤材料领域。

专利CN102872654 A和专利CN 102920067 A公布了使用电纺丝技术制备能截留PM2.5的口罩，然而，由于其使用的高分子聚合物本身以及其制备静电纺丝所采用的有机溶剂都具有一定的毒性，纺丝后没有挥发而残留在纤维中的溶剂将会在人们佩戴过程中逐渐释放出来从而影响人们的健康；同时，由于静电纺丝制备的高分子微纳米纤维直径小，由亲水性高分子聚合物纺制得到的纤维会因人体佩戴过程中受到人体呼出的水蒸气作用产生微溶解，导致起过滤作用的孔道变窄或堵塞，从而或增加呼吸阻力，或降低PM2.5的截留能力。

中国专利CN102872654A，中国专利CN102920067A以及CN2884939Y，公布了使用电纺丝技术制备口罩及口罩滤膜材料，但这些专利对于PM2.5等可吸入颗粒物的截留效果都不佳，而且均只涉及到平面膜的纺制。而从人体工学角度来讲口罩应为三维立体结构，因此还需要进一步加工制作才可以作成口罩形状。但由于聚合物材质强度通常比较差的特点，在加工成口罩过程中难免会造成部分孔道的阻塞或局部漏气，从而造成口罩呼吸阻力增加，或降低过滤效率等现象。还有研究显示，滤材效率的高低并不能反映口罩佩带时的实际防护效果，还与口罩形状和人脸部密合程度有关。

中国专利CN103271466A公开一种立体口罩，由过滤体和包裹过滤体的外罩组成，过滤体由若干矩形状竖板组成，竖板之间由支撑板相连接，过滤套则采用丙纶熔喷无纺布，另外还增加了两个吸气管过滤空气。所述方法从结构上改善了口罩的透气性，但是该发明的制作方法和佩戴方法都很复杂，而且该专利只是提到了可以防护PM2.5的作用，并没有具体的过滤效率以及透气性的数据来支持。

为保护人民身体健康，减少因空气污染造成的各种疾病，急需一种过滤效果优良、透气性好、安全可靠、适合各种人群使用，同时又制作简单、佩戴容易的口罩。

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明提供了一种过滤效果优良、透气性好、安全可靠、立体形状与人脸部密合程度高，同时又制作简单的可以高效截留PM2.5及PM1.0等可吸入颗粒物的口罩。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料是以无毒高分子聚合物PVB作为基质，采用静电纺丝技术，运用立体模型作为接收装置一次性织就而得到的静电纺微纳米纤维膜。

其中，所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2~1.5微米之间。

其中，所述静电纺丝微纳米纤维膜的厚度在20微米~2000微米之间。

其中，所述静电纺丝微纳米纤维膜具有凹凸图案结构。

其中，所述作为接收装置的立体模型是人体面部模型或三维立体口罩模型。

其中，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料包括静电纺微纳米纤维膜与支撑层，所述支撑层是无毒无臭的透气材料。

其中，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料还可以包括覆盖层，所述覆盖层是无毒无臭的透气材料。

本发明还公开了一种立体型微纳米纤维口罩，所述立体型微纳米纤维口罩由口罩用立体型静电纺丝过滤材料制成。

本发明还公开了一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）将无毒PVB高分子材料溶解在乙醇中，配制成均匀的静电纺丝液体；

（2）采用金属丝编织而成的立体模板作为接收装置，将均匀的静电纺丝液体通过静电纺丝方法，纺丝于接收装置上，获得单层的静电纺微纳米纤维膜材料；或者，在接收装置上先覆盖支撑层材料，然后通过静电纺丝方法，直接纺丝于支撑层材料上，获得支撑层和静电纺微纳米纤维膜组成的双层口罩膜材料；或者，在接收装置上贴附支撑层材料，然后将静电纺丝液体通过静电纺丝方法，静电纺丝于支撑层材料上，最后加以覆盖层，获得支撑层、静电纺微纳米纤维膜和覆盖层三明治式夹层口罩膜材料；

（3）将(2)中所得口罩膜材料干燥，制得所需形状的口罩用立体型静电纺丝过滤材料。

其中，所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2~1.5微米之间。

其中，所述静电纺丝微纳米纤维膜的厚度在20微米~2000微米之间。

其中，所述静电纺丝微纳米纤维膜具有凹凸图案结构。

其中，步骤（2）中作为接收装置的的立体模板是人体面部模型或三维立体口罩模型。

其中，支撑层和覆盖层是无纺布或纱布。

本发明中所制备的静电纺丝微纳米纤维膜的厚度可控，厚度优选为20微米~2000微米；其构造单元微纳米纤维直径可控，纤维直径优选 0.2~1.5微米。其纤维呈宏观有序、微观无序状态。

本发明的接收装置可以由不同材质、立体形状的金属镂空编织网或立体口罩模型构成，由此得到的纺丝膜一方面具有立体接收模板的外观，另一方面膜体本身具有不同的凹凸图案结构。立体模型的表面可根据接收装置而编织成不同图案，在原有平面纺织膜基础上增加比表面积，从而在同一面积纺织膜上具有更高过滤效率。

本发明中所采用的原材料选用生物安全性好的医用高分子材料聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为原料，PVB本身无毒，在欧美国家被广泛应用于食品容器及塑料包装的印刷油墨，聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为疏水性高分子，其纤维膜不会被水溶解，因此在使用过程中，其呼吸阻力变化小，同时对PM 2.5等可吸入颗粒物有持续的截留能力；同时，采用乙醇为溶剂配制静电纺丝液进行静电纺丝，从而保证生产的静电纺丝膜材料的安全无毒，保证生产过程的环保无毒，以保证所制备的静电纺丝过滤材料与人体接触时不会影响人们的健康，而且电纺丝后残留的溶剂也不会产生有害作用。

本发明中，立体型微纳米纤维口罩膜材料厚度可控，优选20微米至2000微米，其构造单元微纳米纤维直径可控，优选直径为0.2至1.5微米。因此，由该方法制备的微纳米纤维膜口罩能可控的调节截留率和呼吸阻力。同时，本发明采用人体面部模型或三维立体口罩模型做接收装置，直接纺丝制成立体微纳米纤维口罩，简化了制作工序，解决了普通生产方法制备口罩时所不能避免的局部堵塞或局部漏气的瓶颈问题，而且，该方法制备的口罩可以与人脸很好地密合，有效解决了目前口罩鼻翼两侧漏气的难题。

实验证明，与目前市面上的口罩相比，本发明的立体型微纳米纤维口罩重量轻（2~20mg/m²），该口罩不仅具有优良的透气性，而且能高效截留PM 2.5、PM 1.0等可吸入颗粒物，通过调节微纳米纤维膜的厚度以及微纳米纤维的直径，采用本发明立体型微纳米纤维口罩对PM2.5、PM1.0过滤效率达到100%，透气率在200帕以下。

本发明中所制备的静电纺丝微纳米纤维膜的形状具有立体接收模板的外观，同时膜体本身也呈均匀凹凸的立体图案状形，因而所得膜体较一般平面膜具有更高的比表面积，从而进一步提高了膜的过滤效能以及吸附性能。

本发明的有益效果是公开了一种过滤效果优良、透气性好、立体形状与人脸部密合程度高，本身无潜在有害因素、安全可靠，同时又制作简单的可以高效截留PM2.5及PM1.0等可吸入颗粒物的口罩过滤材料及口罩。此外，本发明的一次性成立体膜的制备方法简化了立体型口罩的制作过程，同时提高了产品成品率，因而能有效地降低成本，适合工业化生产。

附图说明

图1是口罩用立体型静电纺丝过滤材料制备示意图。其中，1是注射器，2是高压发生器，3是纺丝溶液，4是电纺丝，5是镂空金属丝立体模型。

图2 是有明显凹凸状的静电纺丝图案。

图3 是立体型静电纺丝制作的口罩。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。

本发明的实施例中使用的原料均为市售产品。实施例中得到的过滤材料的过滤效率及透气率均由美国产Dusttrack TMII,Aerosol monitor Model 8532 Handhold装置进行检测。

实施例1

配制浓度为0.06g/ml的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)无水乙醇溶液；选取电压强度为13kv，纺丝距离15cm，纺丝速度4ml/h的纺丝条件；将该乙醇溶液直接纺丝于已经覆盖有纱布的立体金属镂空网上0.5小时，在制得纺丝膜上再覆盖一层纱布，由此获得支撑层、静电纺微纳米纤维膜和覆盖层三明治式夹层口罩膜材料。经测试，该PVB纤维过滤材料制成的口罩膜材料对PM2.5、PM1.0等可吸入颗粒物的截留率高达100%。

实施例2

配制浓度为0.06g/ml的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)无水乙醇溶液；选取电压强度为13kv，纺丝距离15cm，纺丝速度4ml/h的纺丝条件；将该乙醇溶液直接纺丝于已经覆盖有纱布的立体口罩模型上0.5小时，在制得纺丝膜上再覆盖一层无纺布，由此获得夹层口罩。经测试，该口罩膜材料对PM2.5，PM1.0等可吸入颗粒物的截留率高达99%，并且，其透气阻力为109Pa，远低于国家标准350 Pa。

实施例3

配制浓度0.07g/ml的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)无水乙醇溶液，选取电压强度为15kv，纺丝距离18cm，纺丝速度2ml/h的纺丝条件；将该乙醇溶液直接纺丝于已经覆盖有无纺布的的立体金属镂空网上3小时，在制得纺丝膜上再覆盖一层无纺布，由此获得三明治式夹层口罩膜材料。经测试表明该口罩材料该口罩膜材料对PM2.5，PM1.0等可吸入颗粒物的截留率为99% ，其透气阻力为99Pa。

实施例4

配制浓度0.05g /ml的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)无水乙醇溶液，选取电压强度为10kv，纺丝距离15cm，纺丝速度2ml/h的纺丝条件；将该乙醇溶液直接纺丝于已经覆盖有纱布布的立体金属镂空网上2小时，在制得纺丝膜上再覆盖一层纱布，由此获得三明治式夹层口罩膜材料。经测试表明该口罩膜材料对PM2.5，PM1.0等可吸入颗粒物的截留率为99% ，其透气阻力为86Pa。

实施例5

 配制浓度0.06g/ml的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）乙醇溶液，选取电压强度为8kv，纺丝电压为8kv，针头距三维接收装置12cm，纺丝速度3ml/h的纺丝条件；将该乙醇溶液直接纺丝于已经覆盖有纱布布的立体金属镂空网上40min，经测试表明该口罩膜材料对PM2.5，PM1.0等可吸入颗粒物的截留率为99%，其透气阻力为70Pa。

以上实施例说明采用无毒无臭聚乙烯醇缩丁醛(PVB)作为原材料、无水乙醇作为溶剂制备出的电纺丝溶液，根据上述实施例中条件可以制得过滤、透气性能均佳、并且加工过程以及佩戴过程中无附加毒素产生、可以放心安全使用的口罩材料及口罩。

本发明公开了一种过滤效果优良、透气性好、立体形状与人脸部密合程度高，本身无潜在有害因素、安全可靠，同时又制作简单的可以高效截留PM2.5及PM1.0等可吸入颗粒物的口罩过滤材料及口罩。此外，本发明的一次性成立体膜的制备方法简化了立体型口罩的制作过程，同时提高了产品成品率，因而能有效地降低成本，适合工业化生产。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料是以无毒高分子聚合物PVB作为基质，采用静电纺丝技术，运用立体模型作为接收装置一次性织就而得到的静电纺微纳米纤维膜；所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2~1.5微米之间。

2.根据权利要求1所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述静电纺丝微纳米纤维膜的厚度在20微米~2000微米之间。

3.根据权利要求1所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述静电纺丝微纳米纤维膜具有凹凸图案结构。

4.根据权利要求1所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述作为接收装置的立体模型是人体面部模型或三维立体口罩模型。

5.根据权利要求1~4任一所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料包括静电纺微纳米纤维膜与支撑层，所述支撑层是无毒无臭的透气材料。

6.根据权利要求1~4任一所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料，其特征在于，所述口罩用立体型静电纺丝过滤材料还可以包括覆盖层，所述覆盖层是无毒无臭的透气材料。

7.一种立体型微纳米纤维口罩，其特征在于，所述立体型微纳米纤维口罩由口罩用立体型静电纺丝过滤材料制成。

8.一种口罩用立体型静电纺丝过滤材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)  将无毒PVB高分子材料溶解在乙醇中，配制成均匀的静电纺丝液体；

(2)  采用立体模板作为接收装置，将均匀的静电纺丝液体通过静电纺丝方法，纺丝于接收装置上，获得单层的静电纺微纳米纤维膜材料；或者，在接收装置上先覆盖支撑层材料，然后通过静电纺丝方法，直接纺丝于支撑层材料上，获得支撑层和静电纺微纳米纤维膜组成的双层口罩膜材料；或者，在接收装置上贴附支撑层材料，然后将静电纺丝液体通过静电纺丝方法，静电纺丝于支撑层材料上，最后加以覆盖层，获得支撑层、静电纺微纳米纤维膜和覆盖层三明治式夹层口罩膜材料；

(3)   将(2)中所得口罩膜材料干燥，制得所需形状的口罩用立体型静电纺丝过滤材料。

9.如权利要求7所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺微纳米纤维膜的纤维直径在0.2~1.5微米之间；所述静电纺丝微纳米纤维膜的厚度在20微米~2000微米之间；所述静电纺丝微纳米纤维膜具有凹凸图案结构。

10.如权利要求7所述的口罩用立体型静电纺丝过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中作为接收装置的的立体模板是人体面部模型或三维立体口罩模型。