金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料及其制备方法和口罩 |
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| 申请号 | CN202111616955.6 | 申请日 | 2021-12-27 | 公开(公告)号 | CN114277575B | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 武汉纺织大学; | 发明人 | 潘恒; 覃淑仪; 周应山; 张晓芳; 全怡雪; 盛丹; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 金属离子 配位捕捉 吸附 增强型口罩 主体材料 的制备方法。该制备方法将甘油、聚 丙烯酸 钠、甘羟 铝 搅拌混合得到A组分；将蒸馏 水 、 酒石酸 、 乙二胺四乙酸 二钠搅拌混合得到B组分；然后将A、B组分充分混合得到水凝胶；最后使用该水凝胶对 无纺布 进行改性，烘干后得到金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。通过上述方式，水凝胶中的铝离子与羧基的配位键会形成捕捉吸附作用，使普通口罩材料对污染物的阻隔防护能 力 进一步提升；并且，伴随口罩使用时间的延长，水分不断积累，将进一步促进水凝胶中释放出更多的铝离子和羧基，使口罩过滤效率衰减程度明显放缓，仍然保持较高的过滤效率，从而延长普通一次性口罩的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料及其制备方法和口罩 技术领域[0001] 本发明涉及卫生防护技术领域，尤其涉及一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料及其制备方法和口罩。 背景技术[0002] 随着空气污染问题日益严峻，全民防护意识明显提升，口罩作为一种最方便、经济、有效的防护用品，其需求量每年都在急剧增加，如今已然成为每个人日常出行的必需品。 [0003] 现有技术中，口罩的防护过程主要是利用静电驻极的物理吸附作用，阻隔空气中的病毒、颗粒性物质等污染物，以保障人体健康；但是，静电驻极的口罩遇水静电容易消散，同时人呼吸的过程不可避免的会产生很多水分，导致口罩在使用过程中的过滤效果是一个逐渐减弱的过程。这使得一般口罩的有效防护期限并不长，需要时常更换，从一定程度上造成了人力、物力等资源的浪费。为应对上述问题，申请号为CN202010148553.7的专利申请，通过添加静电发生装置在外加电压的作用下进行极化处理工艺，对不合格口罩进行静电二次充电，以补偿口罩的电荷缺陷。然而该项高压电驻极处理技术中存在以下问题：一方面该技术对设备的要求高，成本费用高；另一方面，该工艺的操作流程复杂。 [0004] 有鉴于此，有必要设计一种改进的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料，以解决上述问题。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种对污染物阻隔效果更佳，同时能够延长口罩的使用寿命，且操作简单，成本低，无毒无害的口罩主体材料及其制备方法和应用。 [0006] 为实现上述发明目的，本发明提供了一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，包括以下步骤： [0009] S3.将A组分与B组分混合，抽真空搅拌，直到所有成分分散完全，得到水凝胶； [0010] S4.使用步骤S3得到的水凝胶对无纺布进行改性，烘干，得到金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0011] 作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，聚丙烯酸钠的质量分数为0.5％‑25％，甘羟铝的质量分数为0.05％‑2.5％；甘油的质量分数为72.5％‑99.45％。 [0012] 作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，水的质量分数为95％‑99.9％；酒石酸的质量分数为0.05％‑2.5％；乙二胺四乙酸二钠的质量分数为0.05％‑2.5％。 [0013] 作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，A组分与B组分的质量比的取值范围为1：(3‑5)。 [0014] 作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，按质量分数计，水凝胶的组成如下： [0015] [0016] 作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，改性方法包含但不限于为浸轧、点涂或喷涂。 [0018] 为实现上述发明目的，本发明还提供了一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料，采用前述技术方案中任一技术方案制备得到。 [0019] 为实现上述发明目的，本发明还提供了一种口罩，包括口罩本体，口罩本体包括芯层和设置于芯层两侧的外层，外层和/或芯层的材料为前述技术方案中的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0020] 本发明的有益效果是： [0021] 1.本发明的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，通过将甘油、聚丙烯酸钠、甘羟铝搅拌混合得到A组分；将蒸馏水、酒石酸、乙二胺四乙酸二钠搅拌混合得到B组分；然后将A、B组分充分混合得到水凝胶；然后使用水凝胶对无纺布材料进行改性；利用甘羟铝与聚丙烯酸钠在水溶液中形成铝离子与羧基的配位键，形成一定的捕捉吸附力，阻隔污染物，显著提升过滤效果。 [0022] 2.使用本发明的口罩主体材料作为口罩的外层和/或芯层材料，通过利用口罩使用过程中形成的水气，进一步促进水凝胶的交联反应，使得水凝胶中的铝离子和羧基释放增加，对污染物的捕捉吸附力进一步增强，从而在一定程度上弥补了因电荷消散造成的防护效果下降明显，使得口罩的过滤效率随使用时间的延长衰减明显放缓，从而延长口罩的使用寿命。 [0024] 图1为未经水凝胶改性处理的普通一次性口罩芯层无纺布的SEM图，标尺为20μm。 [0025] 图2为本发明的实施例1制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的SEM图，标尺为20μm。 [0026] 图3为实施例7制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩及对比例3的普通一次性口罩的性能测试结果对比图。 具体实施方式[0027] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。 [0028] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。 [0029] 另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。 [0030] 本发明提供的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，包括如下步骤： [0031] S1.向第一烧杯中加入甘油后添加聚丙烯酸钠、甘羟铝，搅拌，直到所有成分分散完全，得到A组分； [0032] S2.向第二烧杯中放入蒸馏水后添加酒石酸、乙二胺四乙酸二钠，搅拌，直到所有成分分散完全，得到B组分； [0033] S3.将A组分与B组分混合，抽真空搅拌，直到所有成分分散完全，得到水凝胶； [0034] S4.使用步骤S3得到的水凝胶对无纺布进行改性，烘干，得到金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0035] 其中，A组分中，聚丙烯酸钠的质量分数为0.5％‑25％，甘羟铝的质量分数为0.05％‑2.5％；甘油的质量分数为72.5％‑99.45％。 [0036] B组分中，水的质量分数为95％‑99.9％；酒石酸的质量分数为0.05％‑2.5％；乙二胺四乙酸二钠的质量分数为0.05％‑2.5％。 [0037] 其中，A组分与B组分混合时的质量比的取值范围为1：(3‑5)。 [0038] 其中，按质量分数计，得到的水凝胶的组成如下：聚丙烯酸钠的质量分数为0.1％‑5％，甘羟铝的质量分数为0.01％‑0.5％；甘油的质量分数为15％‑25％；酒石酸的质量分数为0.01％‑0.5％；乙二胺四乙酸二钠的质量分数为0.01％‑0.05％；水的质量分数为74％‑ 85％。 [0039] 其中，改性是指将水凝胶通过浸轧、点涂或喷涂的方式负载于无纺布上。 [0040] 其中，用于改性的无纺布包括但不限于为熔喷布、电纺纤维。 [0041] 下面结合实施例1‑6及对比例1‑2对本发明的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法进行说明： [0042] 实施例1 [0043] 一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，包括以下步骤： [0044] S1.向第一烧杯中加入质量分数为72.5％的甘油后添加质量分数为25％的聚丙烯酸钠和2.5％的甘羟铝，搅拌10分钟，使所有成分分散完全，得到A组分； [0045] S2.向第二烧杯中放入质量分数为95％的蒸馏水后添加质量分数为2.5％的酒石酸和2.5％的乙二胺四乙酸二钠，搅拌20分钟，使所有成分分散完全，得到B组分； [0046] S3.将A组分与B组分按照1:5的比例混合，抽真空搅拌20分钟，使所有成分分散完全，得到水凝胶； [0047] S4.使用步骤S3得到的水凝胶对芯层无纺布进行浸轧改性，随后80℃烘干6h，得到金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0048] 图1为未经水凝胶改性处理的芯层无纺布的SEM图；图2为实施例1制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的SEM图；通过对比图1和图2，可以看出，实施例1制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的内部纤维结构表面负载有水凝胶层，使得原本的无纺布纤维表面呈现出较为明显的形态、质地变化，且负载于纤维表面的水凝胶并未堵塞纤维之间的空隙。表明经本发明所提供的方法确实能够成功制备出一种金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0049] 实施例2‑6及对比例1‑2 [0050] 实施例2‑6及对比例1‑2与实施例1的区别在于：制备水凝胶的过程中，改变A组分中聚丙烯酸钠、甘羟铝、甘油的质量分数比，以及B组分中水、酒石酸、乙二胺四乙酸二钠的质量分数比，其他步骤与实施例1的基本相同，在此不再赘述；实施例2至实施例6中聚丙烯酸钠、甘羟铝、甘油、水、酒石酸、乙二胺四乙酸二钠的质量分数比如下表所示： [0051] 表1实施例1‑6及对比例1‑2的工艺参数 [0052] [0053] 实验可知，实施例1‑6制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料内部纤维结构表面质地、形态变化明显，说明已成功包覆水凝胶层；而当采用对比例1‑2的工艺参数时，由于对比例1中聚丙烯酸钠的含量较少，故只有少量的羧基释放出来与铝离子形成配位键，无法对污染物进行有效吸附，不能实现捕捉功能；对比例2中聚丙烯酸钠的含量较多，导致整个水凝胶相对较为粘稠，对芯层无纺布进行改性后将会堵塞其孔隙，影响口罩的透气性，使口罩无法正常使用。因此，本发明提供的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法中各组分的取值范围为：聚丙烯酸钠的质量分数为0.5％‑25％，甘羟铝的质量分数为0.05％‑2.5％；甘油的质量分数为72.5％‑99.45％。B组分中，水的质量分数为95％‑99.9％；酒石酸的质量分数为0.05％‑2.5％；乙二胺四乙酸二钠的质量分数为0.05％‑2.5％。 [0054] 将实施例1‑6及对比例1‑2制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料与未经水凝胶改性处理的芯层无纺布原样进行通气阻力与过滤效率的性能测试。 [0055] 本发明中过滤效率的测试方法是依照中国国家标准化管理委员会公布的日常防护型口罩技术规范GB/T 32610‑2016中提供的方法进行检测。 [0056] 检测条件为：测试温度25℃；相对湿度30％；所用NaCl气溶胶颗粒物浓度小于3 2 200mg/m；颗粒物粒径为0.3μm；过滤面积：100cm；测试流量分别为30L/min和85L/min；检测设备为：美国TSI8130A自动滤料测试仪。 [0057] 测试方法如下：选取经实施例1‑6和对比例1‑2制备得到的口罩主体材料各8个，用适当的夹具将试样逐个气密连接在检测装置上，调整检测仪至测试状态，调节测试流量为30L/min，检测开始后，当口罩主体材料上颗粒物加载至30mg时，记录试样的过滤效率，并分别求取平均值。测试流量调整为85L/min时测试方法同上，在此不再赘述。 [0058] 通气阻力的测试方法如下：选取经实施例1‑6和对比例1‑2制备得到的口罩主体材料各3个，将呼气阻力检测装置的通气量分别调至30L/min或85L/min，并设定检测装置的系统阻力为0，将被测样品以气密的方式佩戴在匹配的试验头模上，应确保面罩与试验头模的充分密合，测试并记录每一类样品的最大呼气阻力从而得到阻力测试结果。测试结果如表2所示。 [0059] 表2实施例1‑6及对比例1‑2的性能测试结果 [0060] [0061] [0062] 经测试可知，实施例1‑6制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料无论是在30L/min还是85L/min的测试流速下，其过滤效率相比于芯层无纺布原样均有明显提升，且根据GB/T 32610‑2016日常防护型口罩技术规范，其对盐性介质的过滤效率已经能够达到Ⅱ级(95％)水平。因此，实施例1‑6制备的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料确实相比于普通口罩材料具有更好的对污染物的阻隔能力。 [0063] 实施例7 [0064] 本实施例提供了一种口罩，包括口罩本体和耳带，该口罩本体包括芯层和设置于芯层两侧的外层，共三层，且其芯层的材料为实施例1制备得到的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料。 [0065] 本领域技术人员应当理解，其中，口罩本体也可以为四层、五层或者其他层数，具体并不限定为三层。 [0066] 下面测试实施例7的口罩随使用过程中呼吸时间的延长过滤效率的变化情况。 [0067] 对比例3：将普通的一次性口罩30只(其中芯层为无纺布原样)分为六组，每组5只，将各组口罩分别于大气环境中佩戴使用0h、1h、2h、3h、4h、5h后，使用TSI8130A自动滤料测试仪测试口罩随使用时间的延长初始过滤效率的变化情况，并对每组的口罩过滤效率测试结果求取平均值。 [0068] 实施例7：选用与对比例3同批次的一次性口罩30只，经实施例1中的方案对芯层无纺布原样改性处理后，分为六组，每组5只，将各组口罩分别于上述相同大气环境中佩戴使用0h、1h、2h、3h、4h、5h后，使用TSI8130A自动滤料测试仪测试口罩随使用时间的延长初始过滤效率的变化情况，并对每组的口罩过滤效率测试结果求取平均值，相应测试结果如图3所示。 [0069] 请参阅图3所示，可以看出，随口罩使用时间的延长，普通的一次性口罩的过滤效率下降明显，而以经实施例1改性处理后的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料为芯层的口罩伴随使用时间的延长过滤效率的衰减速率明显放缓，原因在于：甘羟铝与聚丙烯酸钠在水溶液中形成铝离子与羧基的配位键，能够形成一定的捕捉吸附力，当口罩随着呼吸次数的增加，水分积累，水凝胶中的铝离子和羧基释放增加，从而使得捕捉吸附力进一步增强，在一定程度上有效弥补了因电荷消散造成的口罩防护效果下降明显。 [0070] 综上所述，本发明提供的金属离子配位捕捉吸附增强型口罩主体材料的制备方法，通过制备水凝胶对普通一次性口罩无纺布原样进行浸渍改性，能够明显改善普通口罩对污染物的吸附过滤能力。而且，经改性处理的口罩伴随使用时间的延长其过滤效率的衰减速率较普通一次性口罩而言明显有所减缓，仍然保持较高的过滤效率，从而有效延长了口罩的使用寿命。 [0071] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 |
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