一种光热再生口罩核心层材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种光热再生口罩核心层材料及其制备方法 (Photothermal regeneration mask core layer material and preparation method thereof ) 是由 阳晓宇 卢毅 刘艺璇 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光热再生口罩核心层材料,它为由内层亲肤层、中间核心过滤层、外层疏水层组成的纳米碳/无纺或纺织布/多孔材三元复合材料。该三元复合结构材料的稳定性极高,兼具防水、透气、光热杀菌等优点,可广泛应用于病毒防护过滤层材料的快速制备。利用上述复合材料所得光热再生口罩具有光照快速升温灭毒的优点,细菌过滤效率超过99％、颗粒过滤效率超过96％,超过医用外科口罩水准；且涉及的制备方法简单,操作方便,无需高分子粘合剂及加热或预处理等工序,适合推广应用。(The invention discloses a photothermal regeneration mask core layer material, which is a nano carbon/non-woven or woven cloth/porous material ternary composite material consisting of an inner skin-friendly layer, a middle core filtering layer and an outer hydrophobic layer. The ternary composite structure material has extremely high stability, has the advantages of water resistance, air permeability, photo-thermal sterilization and the like, and can be widely applied to the rapid preparation of virus protection filter layer materials. The photothermal regeneration mask obtained by utilizing the composite material has the advantages of rapid temperature rise and virus killing by illumination, the bacterial filtration efficiency exceeds 99 percent, the particle filtration efficiency exceeds 96 percent, and the level of the medical surgical mask is exceeded; the preparation method is simple, convenient to operate, free of high-molecular adhesive, heating or pretreatment and other processes, and suitable for popularization and application.)
技术领域
本发明属于防护用品技术领域，具体涉及一种光热再生口罩核心层材料及其制备方法。
背景技术
目前的医用口罩核心过滤层大多采用以聚丙烯为原料制备的无纺布，不仅需要具备疏水等基本功能，而且必须具备两个非常重要的功能即防病毒扩散的致密性和允许气体交换的贯通性。其病毒过滤原理是物理吸附和孔径隔离，即使添加微孔碳等高吸附能力材料，也会因为有限的吸附量引起过滤效率下降和呼吸阻力上升。长时间使用，呼出水汽难以快速排除。因此医用口罩往往都存在一次性或短效性等问题，在疫情爆发高峰期，会造成口罩匮乏以及长时间佩戴面部感染问题。
当前最有效的防护技术是多层防护，但其核心过滤层中关键材料微孔碳的孔结构贯通性低孔径不均一等问题严重制约了防护器材的长效利用。此外，过滤层的骨架材料采用的高分子纺丝纤维，无法通过高温、化学或微波等方式消毒，从而很难实现其循环再利用。此外，传统熔喷无纺布处理工艺，通常需要对无纺布进行预处理去除表面杂质，表面修饰石墨烯需要对石墨烯进行功能化处理，同时还伴随着加热和较长反应时间。更为重要的是，作为口罩过滤层的熔喷无纺布很容易因为有机溶剂侵蚀而造成结构破坏，从而影响过滤效率和气体贯通性。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种光热再生口罩核心层材料，通过制备纳米碳/无纺或纺织布/多孔材料三元复合材料，在不改变现有医用口罩工艺下，进行简单喷涂即可实现光热再生医用口罩的加工制备；这种含有分级三元复合膜的光热再生医用口罩具有长效防护和可循环再生利用等特点，具有重要的经济和社会效益，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种光热再生口罩核心层材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制有机醇水溶液I，搅拌条件下加入纳米碳材料，超声分散得纳米碳浆料；
2)配制有机醇水溶液II，搅拌条件下加入多孔材料，超声分散得到多孔材料浆料；
3)取步骤1)所得纳米碳浆料均匀涂覆在无纺布或纺织布的一面，烘干；
4)取步骤2)所得多孔材料浆料均匀涂覆在无纺布或纺织布的另一面，烘干；即得所述光热再生口罩核心层材料。
上述方案中，所述纳米碳材料包括但不限于石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨、炭黑、无定形碳等中的一种或几种。
上述方案中，步骤1)或2)中所述有机醇为乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇等有机醇中的一种或几种；水为纯净水、去离子水或蒸馏水等。
上述方案中，步骤1)中所述水与有机醇的体积比为5-15:1；所得纳米碳浆料中纳米碳的质量分数为0.5wt％以上；优选为0.5～4wt％。
上述方案中，步骤2)中所述多孔材料为分子筛、金属有机框架或吸水硅胶等多孔吸水材料。
上述方案中，步骤2)中所述水与有机醇的体积比为5-15:1，所得多孔材料浆料中，多孔材料的质量分数为0.5wt％以上；优选为1～16wt％。
上述方案中，所述无纺布或纺织布为口罩用熔喷无纺布、空气过滤用熔喷无纺布、医用纱布、丝绸、尼龙布、棉布、牛津布、法兰绒、合成纤维布中的一种或几种。
上述方案中，步骤3和4)所述涂膜方法包括但不限于辊压法、涂布法、喷涂法等，纳米碳浆料涂覆在无纺布或纺织布表面形成的涂层厚度在10-100μm；多孔材料浆料涂覆在无纺布或纺织布另一面形成的涂层厚度在10-100μm。
根据上述方案制备的光热再生口罩核心层材料，它具有纳米碳/无纺或纺织布/多孔材料三元复合结构；将其应用与制备光热再生口罩，其核心过滤层由传统的熔喷无纺布改进为纳米碳(石墨烯、碳纳米管等)/熔喷无纺布/多孔材料(多孔MIL-160、吸水硅胶等)三层结构，既能实现口罩高效贯通和高过滤性，又能在光热温和条件实现核心过滤层的消毒和循环再生利用，适用于新型冠状病毒及其他呼吸传染病防护等领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明以多孔材料和纳米碳为功能材料，通过调配纳米碳浆料和多孔材料浆料，能够在不改变现有口罩制备工艺的条件下，采用物理喷涂或者压制方法迅速制备具有三层结构的纳米碳/无纺或纺织布/多孔材料核心过滤层材料；调配的纳米碳浆料和多孔材料浆料(调控有机醇配比)，只会在熔喷无纺布表面铺展而不会浸入到熔喷无纺布内部，然后在室温条件下，利用物理加压实现纳米碳(石墨烯、碳纳米管等)和多孔材料(MIL-160、吸水硅胶等)在熔喷布表面成膜，从而保证其结构完整；整个制备过程无需高分子粘合剂及加热或预处理等工序，不依赖复杂设备，效果明显，制作工艺适用于普通家庭自用和工厂批量生产，具有良好的市场推广性。
2)本发明首次提出采用纳米碳/无纺或纺织布/多孔材料三元结构设计，多孔材料层作为强吸水性材料，可快速吸水降低病毒活性，无纺或纺织布(熔喷层等)用于隔离病毒，纳米碳层由于其优异的光热性能，可在光照下迅速升温到90℃以上，高温杀灭病毒和蒸发吸附的水，从而实现光热和光催化协同杀灭病毒。
3)本发明所得纳米碳/无纺或纺织布/多孔材料三元复合材料核心过滤层稳定性高，细菌过滤效率达到99％以上，颗粒过滤效率达到95％以上；兼具长效防护和可循环再生利用等特点，适合推广应用。
附图说明
图1为实施例1中KN95熔喷无纺布喷涂工业石墨烯表面的扫描电子显微镜图；
图2为实施例1中KN95熔喷无纺布喷涂MOF表面的扫描电子显微镜图；
图3为实施例1所得光热再生口罩和商业口罩在光照下温度随时间关系图；
图4为实施例1所得光热再生口罩中MIL-160层的水蒸气吸附脱附实验；
图5为实施例1所得光热再生口罩的细菌过滤效率和颗粒过滤效率检测结果；
图6为实施例2中石墨烯纳米片-熔喷布表面的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种光热再生口罩核心层材料、口罩的制备方法，它包括以下步骤：
1)配制含10ml乙醇和90ml水的混合液2份，分别加入1g工业级石墨烯粉体和1g金属有机框架材料MIL-160，超声分散分别制成石墨烯浆料和MIL-160浆料；
2)将所得石墨烯浆料均匀涂覆在KN95熔喷无纺布表面，烘干；将MIL-160浆料涂覆在 KN95熔喷无纺布另一面，烘干；控制涂层厚度在10μm左右；
3)将制得的石墨烯/KN95熔喷无纺布/MIL-160三元复合材料核心过滤层在口罩机上封装成光热再生口罩。
本实施例所得光热再生口罩由两层无纺布和分级三元复合膜核心过滤层组成，从图1可以看出，石墨烯浆料辊压到熔喷布表面，多层石墨烯片堆叠在熔喷布纤维上形成一层大面积的致密石墨烯膜，由于纳米材料的多孔特性，石墨烯膜具有透气防水特性。从图1中的内嵌图高倍SEM可以看出，石墨烯并非呈现片状堆叠状态，而是自组装形成类似花状的三维多孔结构仅仅吸附于高分子纤维上，因此石墨烯膜不仅致密，而且牢固不易脱落。
由图2可以看出，KN95熔喷无纺布另一表面覆盖有MIL-160多孔材料构成的薄膜，从而形成石墨烯/KN95熔喷无纺布/MIL-160三元复合材料核心过滤层。从图2中的内嵌图高倍 SEM可以看出，MIL-160纳米颗粒尺寸在几百纳米到2微米之间，颗粒围绕熔喷纤维聚集，具有良好的吸水特性。
图3显示，本实施例所得核心过滤层材料在紫外可见光照下，能在10s内从室温升温至 80℃以上，最高可达93℃；遮蔽光照后，材料表面温度在16s内迅速恢复到室温，说明材料具有非常优异的光热转换性能，能在光照下迅速杀灭病毒。这种优异的光热转换性能，主要得益于石墨烯浆料中并无高分子粘合剂，可维持碳材料本征的物理性能。
进一步对本实施例所得光热再生口罩中的MIL-160层的进行吸水脱水性能，我们模拟了日常使用状况，采用的测试条件为：90％湿度，室温下吸附水；0％湿度，90℃下脱附水。如图4结果显示，MIL-160层在室温高湿度条件下，具有良好的吸水性能，水吸附量绝对值9mg，相对值为0.5g水/gMIL-160，说明吸水层具有良好的吸水特性。在90摄氏度高温下，MIL-160 层能迅速完全脱附水，从而保证了口罩在使用中既能吸附水汽保持过滤层干燥，又能在高温下脱附水实现可循环。
图5为本实施例所得口罩的医用外科口罩测试结果，从图中可以看出，本实施例所得光热再生口罩的细菌过滤效率超过了99％，颗粒过滤效率超过96％，性能优于N95口罩。而商业口罩的细菌过滤效率和颗粒过滤效率仅分别不到94％和79％。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于石墨烯为石墨烯纳米片，涂层厚度为10μm。从图6看出，不管是工业级石墨烯粉体，还是石墨烯纳米片，均能在KN95熔喷无纺布上形成非常好的石墨烯膜。
所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能及细菌和颗粒过滤性能。
实施例3
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于乙醇替换为乙二醇，配比不变。
所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能及细菌和颗粒过滤效率。
实施例4
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤1)中水合乙醇的用量为：水90mL，乙醇为12mL。
经检测，本实施所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能、细菌和颗粒过滤效率。
实施例5
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于多孔材料为商业吸水硅胶。
经检测，本实施所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能、细菌和颗粒过滤效率。
实施例6
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于工业石墨烯用量为4g。
经检测，本实施所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能、细菌和颗粒过滤效率。
实施例7
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于KN95熔喷无纺布替换为医用纱布。
经检测，石墨烯和MIL-160仍然能很好的在KN95熔喷无纺布表面形成致密多孔膜，光热转换性能跟实施例1相似，细菌和颗粒过滤效率超过95％。
实施例8
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于KN95熔喷无纺布替换为尼龙布，尼龙布反复折叠成3层并用针线缝合。
经检测，石墨烯和MIL-160仍然能很好的在尼龙布表面形成致密多孔膜，光热转换性能跟实施例1相似，细菌和颗粒过滤效率超过95％。
实施例9
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于KN95熔喷无纺布替换为棉布，棉布反复折叠成3层并用针线缝合。
经检测，石墨烯和MIL-160仍然能很好的在棉布表面形成致密多孔膜，光热转换性能跟实施例1相似，细菌和颗粒过滤效率超过95％。
实施例10
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于石墨烯替换为碳纳米管。
经检测，本实施所得光热再生口罩具有良好的光热转换性能、细菌和颗粒过滤效率。
对比例1
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤2)中的水为100ml，有机醇为0ml。经检测，石墨烯和MIL-160均无法涂覆在KN95熔喷无纺布表面，烘干后即团聚脱落。不仅如此，我们尝试了其他纳米碳材料和多孔材料，均无法在熔喷无纺布上形成致密多孔膜。。
对比例2
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于水为90mL，乙醇为5mL。经检测，纳米碳、多孔材料均无法涂覆在KN95熔喷无纺布表面，烘干后即团聚脱落。不仅如此，我们尝试了其他纳米碳材料和多孔材料，均无法在熔喷无纺布上形成致密多孔膜。
对比例3
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于水为80mL，乙醇为20mL。经检测，纳米碳、多孔材料涂覆在KN95熔喷无纺布表面后，溶剂渗透进入熔喷无纺布内部，破坏了内部熔喷纤维微观结构，细菌和颗粒过滤效率低于70％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
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