基于离子液体和微电场的过滤组件及应用
阅读说明：本技术 基于离子液体和微电场的过滤组件及应用 (Filtering component based on ionic liquid and micro-electric field and application ) 是由 瞿广飞 吴丰辉 陈远翔 李军燕 王芳 李自赢 杨灿 于 2021-02-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于离子液体和微电场的过滤组件,其包括纽扣电池、柔性导电正极、柔性导电负极,柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接；本发明过滤组件制备简单,制造成本低,具有双重防护效果；适用范围广,对浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶防护效果好,在有电条件下,可以重复使用。(The invention discloses a filtering component based on ionic liquid and a micro-electric field, which comprises a button battery, a flexible conductive anode and a flexible conductive cathode, wherein the flexible conductive anode and the flexible conductive cathode are respectively connected with the button battery; the filter assembly is simple to prepare, low in manufacturing cost and has double protection effects; the application range is wide, the protection effect on floating dust, viruses and aerosol carrying the viruses is good, and the aerosol can be repeatedly used under the condition of electricity.)
技术领域
本发明涉及一种基于离子液体和微电场的口罩过滤组件及其在制备口罩中的应用，属于防护装备领域。
背景技术
空气中的浮尘，人体吸入会导致患上尘肺病，而病毒是许多传染病的始作俑者，是传染病爆发的重要因素，通常通过空气中夹带的飞沫及水中病毒等途径传染，给人类健康和环境安全造成较大威胁。病毒具有较强的生命力，病毒生物体由遗传物质和蛋白质外壳组成，而且能附着在气溶胶上随空气运动进行扩散，目前去除病毒的方法有超滤膜滤除法、活性炭吸附法、高分子絮凝沉淀法等，其一般应用于溶液中病毒的吸附，有些使用不便，有些成本较高，大部分是一次性使用，无法达到重复使用，造成大量的污染物，且这些污染物长期保留在环境中可能会缓慢释放吸附的病毒微生物，进而重新危害人体健康。
CN201120236960.X发明了一种抗病毒口罩，包括口罩本体、左耳防护耳套、右耳防护耳套，左耳防护耳套在口罩本体的左边，右耳防护耳套在口罩本体的右边，口罩本体包括有呈片状结构且依次排列的防尘过滤组件、病毒过滤组件及护理过滤组件，防尘过滤组件至少包括四层透气织品，病毒过滤组件至少包括四层阴离子吸附透气织品，护理过滤组件至少包括四层透气织品，先有防尘过滤组件进行初级过滤，再通过病毒过滤组件吸附病毒及细菌，然后护理过滤组件处理后与人体皮肤接触，避免带病个体传递有害物，从而切断传染源，有效抑制病毒的扩散，但是该发明适用范围不广，无法判断吸附材料的吸附饱和度，可能会存在吸附穿透等问题。CN201010150858.8提出了一种聚吡咯复合纤维在吸附病毒方面的应用，首先通过原位聚合技术在纤维中引入正电荷，使制得的聚吡咯复合纤维带有丰富正电荷，利用正负电荷相互吸引的原理，对带负电荷的病毒进行吸附滤除，但该方法局限性较强，而且在运用聚合技术在纤维中引入正电荷，方法繁琐，成本较高，无法达到广泛应用。
发明内容
针对目前市场上存在的口罩，大部分是一次型口罩，口罩内部的吸附材料容易达到吸附饱和，吸附饱和后就无法重新再利用，造成二次污染，而且吸附性能不是很好，只能吸附空气中粒径较大的颗粒物，本发明提供了一种基于离子液体和微电场的过滤组件，其包括纽扣电池、柔性导电正极、柔性导电负极，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接。
该方法主要基于浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶特殊的负电性，离子液体改性的柔性电极具有良好的导电性，过滤组件包括两层离子液体改性的柔性电极，接负极的离子液体改性的柔性电极（柔性导电负极）在外侧，接正极的离子液体改性的柔性电极在内侧；在微电场电极的作用下，带负电的浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶靠近柔性导电负极时会被排斥而无法进入口罩内部；若由于浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶在环境中长期运动，导致荷电，带有正电，内侧接正极的离子液体改性的柔性电极在电场的作用下排斥带正电的浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶，达到双重保险的效果。
所述柔性导电正极或柔性导电负极的制备方法如下：
（1）将导电材料粉碎研磨至粒径小于200目，将粉碎后材料置于质量浓度5~20%的乙醇溶液中，在200~1200rpm下搅拌混合均匀后，加入混合物质量2~10%的PTFE乳液和混合物质量5%~10%的活性氧化铝，在200~1200rpm下搅拌5~30min后，在30~70℃下继续搅拌混合30~60min得混合浆料，将混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度1~2mm的片状，干燥制得柔性电极；
（2）将100mL乙睛中加入0.1~1g的CaH2，在油浴70~85℃下搅拌回流反应10~12h后，冷却至常温，制得无水乙睛；在氮气气氛下，将柔性电极置于50~80℃下干燥0.5~1h，在氮气气氛下降至室温后，加入离子液体、无水乙晴，在80~90℃下回流搅拌8~12h，在氮气气氛下降至室温，过滤，用无水乙睛冲洗，最后在100~120℃下干燥8~12h制得。
所述离子液体是[Hmim]Tf2N、[Hmim]CuCl2、[Hmim]FeCl4中的一种，本发明中离子液体参照常规方法制得，例如参照下述文献方法制得：“Sujatha I , Venkatarathnam G .Comparison of performance of a vapor absorption refrigeration systemoperating with some hydrofluorocarbons and hydrofluoroolefins as refrigerantsalong with ionic liquid [hmim][TF2N] as the absorbent[J]. InternationalJournal of Refrigeration, 2018, 88,370-382. ”或“Shuangjun C , Weihe S ,Haidong C , et al. Glycolysis of poly(ethylene terephthalate) waste catalyzedby mixed Lewis acidic ionic liquids[J]. Journal of Thermal Analysis andCalorimetry:1-9.”。
所述导电材料为多孔碳、多孔碳硅、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、银、铜中的一种。
所述离子液体与无水乙腈的体积比为1~5:10~20。
本发明另一目的是将上述基于离子液体和微电场的口罩过滤组件应用在口罩中。
本发明方法的优点与效果如下：
（1）本发明过滤组件制备简单，制造成本低，具有双重防护效果；
（2）本发明过滤组件适用范围广，对浮尘、病毒及其携带病毒的气溶胶防护效果好，在有电条件下，可以重复使用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本基于离子液体和微电场的过滤组件包括纽扣电池、柔性导电正极、柔性导电负极，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接；将本实施例过滤组件应用在常规医用口罩中，并替换其中间过滤层，则本实施例口罩从外到内依次为防水层、柔性导电负极、柔性导电正极、舒适层，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接，并固定在口罩中；
其中柔性导电正极或柔性导电负极的制备方法如下：
（1）将石墨烯粉碎研磨至粒径小于200目，将粉碎后材料置于质量浓度5%的乙醇溶液中，在200rpm下搅拌混合均匀后，加入混合物质量2%的PTFE乳液和混合物质量5%的活性氧化铝，在200rpm下搅拌20min后，在30℃下继续搅拌混合40min得混合浆料，将混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度1mm的片状，干燥制得柔性电极；
（2）将100mL乙睛中加入0.1g的CaH2，在油浴70℃下搅拌回流反应12h后，冷却至常温，制得无水乙睛；在氮气气氛下，将柔性电极置于80℃干燥0.5h，在氮气气氛下降至室温，加入 [Hmim]Tf2N离子液体、无水乙晴，柔性电极浸没在离子液体和无水乙腈中，离子液体与无水乙腈的体积比为1:10；在90℃下回流搅拌8h，在氮气气氛下降至室温，过滤，用无水乙睛冲洗，最后在100℃下干燥12 h制得；
将本实施例制得的过滤组件用于过滤非油性NaCl气溶胶，气流量控制在（85±2）L/min，粒径控制在（0.075±0.020）μm，检测其气溶胶过滤效果；然后采用PK-174口罩病毒过滤效率（VFE）测试仪测试其病毒过滤效果；气溶胶和病毒的过滤效率高达99%以上；过滤后气体符合GB19083-2010《医用防护口罩技术要求》口罩滤料的颗粒过滤效率应不小于95％的标准。
实施例2：本基于离子液体和微电场的过滤组件包括纽扣电池、柔性导电正极、柔性导电负极，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接；将本实施例过滤组件应用在常规医用口罩中，并替换其中间过滤层，则本实施例口罩从外到内依次为防水层、柔性导电负极、柔性导电正极、舒适层，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接，并固定在口罩中；
其中柔性导电正极或柔性导电负极的制备方法如下：
（1）将石墨粉碎研磨至粒径小于200目，将粉碎后材料置于质量浓度10%的乙醇溶液中，在1200rpm下搅拌混合均匀后，加入混合物质量10%的PTFE乳液和混合物质量8%的活性氧化铝，1200rpm下搅拌10min后，在70℃下继续搅拌混合30min得混合浆料，将混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度1.5mm的片状，干燥制得柔性电极；
（2）将100mL乙睛中加入1g的CaH2，在油浴85℃条件下搅拌回流反应10h后，冷却至常温，制得无水乙睛；在氮气气氛下，将柔性电极置于50℃下干燥1h，在氮气气氛下降至室温，加入 [Hmim]CuCl2离子液体、无水乙晴，柔性电极浸没在离子液体和无水乙腈中，离子液体与无水乙腈的体积比为1:5；在90℃回流搅拌8h，在氮气气氛下降至室温，过滤，用无水乙睛冲洗，最后在120℃下干燥8h制得；
将本实施例制得的过滤组件用于过滤非油性NaCl气溶胶，气流量控制在（85±2）L/min，粒径控制在（0.075±0.020）μm，检测其气溶胶过滤效果；然后采用PK-174口罩病毒过滤效率（VFE）测试仪测试其病毒过滤效果；气溶胶和病毒的过滤效率高达99%以上；过滤后气体符合GB19083-2010《医用防护口罩技术要求》口罩滤料的颗粒过滤效率应不小于95％的标准。
实施例3：本基于离子液体和微电场的过滤组件包括纽扣电池、柔性导电正极、柔性导电负极，柔性导电正极、柔性导电负极分别与纽扣电池连接；
其中柔性导电正极或柔性导电负极的制备方法如下：
（1）将多孔碳粉碎研磨至粒径小于200目，将粉碎后材料置于质量浓度15%的乙醇溶液中，在800rpm下搅拌混合均匀后，加入混合物质量8%的PTFE乳液和混合物质量10%的活性氧化铝，在800rpm下搅拌15min后，在50℃下继续搅拌混合50min得混合浆料，将混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度2mm的片状，干燥制得柔性电极；
（2）将100mL乙睛中加入0.5g的CaH2，在油浴80℃条件下搅拌回流反应11h后，冷却至常温，制得无水乙睛；在氮气气氛下，将柔性电极至于60℃干燥1h；在氮气气氛下降至室温，加入 [Hmim]FeCl4离子液体、无水乙晴，柔性电极浸没在离子液体和无水乙腈中，离子液体与无水乙腈的体积比为1:15；85℃下回流搅拌10h，在氮气气氛下降至室温，过滤，用无水乙睛冲洗，最后在110℃下干燥10 h制得。
两层防尘不透气布料把离子液体改性多孔性电极材料，纽扣电池导线缝合在里面，接负极的离子液体改性多孔性电极材料材料在外侧，接正极极的离子液体改性多孔性电极材料材料在内侧。
将本实施例制得的过滤组件用于过滤非油性NaCl气溶胶，气流量控制在（85±2）L/min，粒径控制在（0.075±0.020）μm，检测其气溶胶过滤效果；然后采用PK-174口罩病毒过滤效率（VFE）测试仪测试其病毒过滤效果；气溶胶和病毒的过滤效率高达99%以上；过滤后气体符合GB19083-2010《医用防护口罩技术要求》口罩滤料的颗粒过滤效率应不小于95％的标准。
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