石墨烯复合水凝胶及防起雾口罩 |
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| 申请号 | CN202410042614.X | 申请日 | 2024-01-11 | 公开(公告)号 | CN117866299A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 山西大学; | 发明人 | 杨思越; 赵煜博; 李忠平; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 石墨 烯复合 水 凝胶及防起雾口罩，所述 石墨烯 复合水凝胶，包括还原 氧 化石墨烯（rGO）、 淀粉 、 硅 胶和蒸馏水；淀粉溶解于蒸馏水中，加入还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热，再加入硅胶胶体搅拌，冷却到室温，即得上述石墨烯复合水凝胶。将制备好的石墨烯复合水凝胶压模切割成条；将上述石墨烯复合水凝胶条通过水凝胶的自身粘附性固定到口罩本体上边沿。本发明利用还原氧化石墨烯的导热性，使得呼出的水蒸气在口罩上进行很快的热交换，水蒸气冷却之后形成的水，很快被具有很好吸湿功能的水凝胶吸收。这样就可以完全将 口腔 中呼出的水蒸气冷却，吸收，从而有效阻止 雾气 从口罩上沿溢出，减少了对眼镜等的雾气影响。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种石墨烯复合水凝胶，其特征在于：以质量份数计，包括还原氧化石墨烯0.01‑ |
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| 说明书全文 | 石墨烯复合水凝胶及防起雾口罩技术领域背景技术[0002] 口罩是一种卫生防护用品，能很好地起到空气过滤和病毒防护的功能，在口罩的使用人群中，有很多人配戴眼镜，在冬春季节，呼出的气体会在眼镜片上集聚大量的水雾，可能给出行带来安全隐患。 [0003] 现有的普通外科医用口罩是在口罩上沿有一条软金属条作为鼻夹，使口罩尽量的与面部贴合，但是由于金属条附型力有限，加之呼吸产生的气流推力，迫使口罩不能阻挡暖气流从口罩的上沿溢出，很容易在眼镜上形成雾气而影响视线。 [0004] 目前，为了防止戴口罩引起眼镜起雾的研究主要分为以下三类：第一种，防雾涂层，这种方法和材料有很好的防起雾效果，但是这种涂层材料的眼镜成本较高，而且涂层材料的引入会影响眼镜的使用寿命；第二种方法是眼镜喷剂，在眼镜上喷涂一些亲水性表面活性剂，可以保证眼镜在几小时之内不被雾气影响，这种方法明显过于繁琐和不便；第三种方法是改造口罩，这种方法基于防雾海绵或石墨烯无纺布对口罩的改造，使得从口罩泄出的水蒸气吸附于吸附剂物质上，这种方法是最直接和方便的方法，但是仍然存在材料制备麻烦和效果不佳的问题。 [0005] 针对眼镜起雾的问题，以上的方法都存在一定的问题，前两种方法会对眼镜的使用寿命具有一定的影响，而且成本和使用方法不便。第三种方法虽然具有很好的实用性和便捷性。但是，所涉及到的材料和方法仍然具有较繁琐的步骤，而且效果欠佳。 发明内容[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯复合水凝胶及防起雾口罩，以达到有效阻止雾气溢出的目的。 [0007] 为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种石墨烯复合水凝胶，以质量份数计，包括还原氧化石墨烯（rGO）0.01‑0.06份，淀粉10‑20份，硅胶5‑10份，蒸馏水70‑85份；淀粉溶解于蒸馏水中，加入还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到80‑100℃、 30‑60min，再加入硅胶胶体搅拌，冷却到室温，即得上述石墨烯复合水凝胶。 [0008] 进一步地，所述石墨烯复合水凝胶中包括还原氧化石墨烯0.02‑0.05份，淀粉12‑18份，硅胶6‑9份，蒸馏水72‑83份。 [0009] 进一步地，所述石墨烯复合水凝胶中包括还原氧化石墨烯0.03‑0.04份，淀粉14‑16份，硅胶7‑8份，蒸馏水75‑80份。 [0010] 根据本发明的另一方面，提供一种复合水凝胶防起雾口罩，包括口罩本体，口罩本体上部设置有以上所述的石墨烯复合水凝胶。 [0011] 进一步地，所述口罩本体两侧设置有口罩带。 [0012] 进一步地，口罩本体上部中间位置设置有鼻夹。 [0013] 根据本发明的另一方面，提供的是以上所述的复合水凝胶防起雾口罩的制备方法，将制备好的石墨烯复合水凝胶压模切割成条；将上述石墨烯复合水凝胶条通过水凝胶的自身粘附性固定到口罩本体上边沿。 [0014] 进一步地，石墨烯复合水凝胶压模切割后，制成厚度为0.2厘米，长度为15厘米，宽为2厘米的矩形长条。 [0015] 本发明的构思是将具有良好导热性能的还原氧化石墨烯和具有很好吸水、附着能力的硅胶有机地结合起来制备获得功能化水凝胶，实现口罩的防雾特殊功能。其中，利用还原氧化石墨烯的导热性，使得呼出的水蒸气在口罩上进行很快的热交换，从而冷却、减少湿气的溢出；同时，水蒸气冷却之后形成的水，很快被具有很好吸湿功能的水凝胶吸收。这样就可以完全将口腔中呼出的水蒸气冷却，吸收，从而有效阻止雾气从口罩上沿溢出，减少了对眼镜等的雾气影响。此外，本发明提供的口罩制作简单，成本低。附图说明 [0017] 图1是口罩本体及石墨烯复合水凝胶的粘接位置示意图，A处为石墨烯复合水凝胶的示例性粘接位置；图2是本发明所述复合水凝胶防起雾口罩的结构示意图。 [0018] 图中，1‑口罩本体，2‑石墨烯复合水凝胶，3‑口罩带。 具体实施方式[0019] 本发明一种典型的实施方式提供的一种石墨烯复合水凝胶，以质量份数计，制备所述石墨烯复合水凝胶2中包括还原氧化石墨烯0.01‑0.06份，淀粉10‑20份，硅胶5‑10份，蒸馏水70‑85份；淀粉溶解于蒸馏水中，加入还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到80‑100℃，30‑60min；再加入硅胶胶体搅拌5，冷却到室温，即得上述石墨烯复合水凝胶。 [0020] 还原氧化石墨烯作为一种纳米材料，具有好的分散性及重量轻等优点。还原氧化石墨烯面向热导率高，晶面热膨胀系数小，热阻低，其导热系数约为10 100W/mK，其导热系~数比大多数金属和陶瓷都要高，原因在于石墨烯中的碳分子在热流中产生声子、离子和电子，由产生的碳分子团之间相互摩擦、碰撞(也称布朗运动)通过控制波长在6‑15微米的远红外线以平面方式均匀地辐射出去，有效热能总转换率达99%以上，同时加上特殊的石墨烯材料的超导性，保证散热稳定性能。石墨烯的热传导主要由声子贡献，和金刚石类似，石墨烯在平面方向由强化学键C―C键构成，并且由于碳原子较轻，具有极高的声速，从而在平面方向具有较好的热导率。因此，石墨烯的比表面积越大，其导热性越好，防雾性能越好。此外，氧化石墨烯具有较大的比表面积，具有很好的交联性能。 [0021] 淀粉水凝胶是一类由交联的聚合物分子链网络构成的大分子聚合物。淀粉水凝胶具有制备方便，成本低等优点，但是，淀粉水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和吸水速度慢等缺点。本发明采用还原氧化石墨烯，能够实现和淀粉很好的交联，从而提高淀粉水凝胶的凝胶强度和韧性。 [0022] 硅胶体是一种具有很好吸水功能的胶体材料，将其应用于本发明中，能够增强水凝胶的吸水功能。 [0023] 基于以上性质，本发明构建起一种双网络结构水凝胶，利用还原氧化石墨烯的导热性能，通过快速导热使呼出的水汽快速冷却为液体水，通过水凝胶和硅胶快速吸附冷却的水，水凝胶不仅具有吸水效果，而且具有较好的粘附性，可以粘附与口罩上，也可以较好地粘附与鼻梁处。淀粉基水凝胶还具有较强的液体吸收能力和溶胀能力，在吸收液体水后体积会发生膨胀，起到一定的密封效果，保证水汽不过多地外溢，而是更好地被冷却和吸附。 [0024] 本发明选取不同比表面积的还原氧化石墨烯作为考查对象，还原氧化石墨烯的比表面积采用BET法测定：将一定量的气体（通常为氮气）吸附到样品表面，根据吸附等温线计算出样品的比表面积。还原氧化石墨烯采用化学还原‑‑水合肼还原氧化石墨烯的方法制备而成。在水合肼还原过程中，会因为还原程度（根据还原剂使用量氧化石墨烯和水合肼的质量比为10:1、10:5、10:10和还原时间10分钟、30分钟、50分钟）不同形成不同的比表面积。本发明中实验涉及三种不同比表面积（46平方米/克、74平方米/克、98平方米/克）的还原氧化石墨烯。 [0025] 优选的实施方式中，所述石墨烯复合水凝胶中包括还原氧化石墨烯0.02‑0.05份，淀粉12‑18份，硅胶6‑9份，蒸馏水72‑83份。 [0026] 进一步优选的实施方式中，所述石墨烯复合水凝胶中包括还原氧化石墨烯0.03‑0.04份，淀粉14‑16份，硅胶7‑8份，蒸馏水75‑80份。 [0027] 本发明是将石墨烯功能化复合水凝胶用于普通口罩。如图1、2所示，本实施方式提供的复合水凝胶防起雾口罩包括口罩本体1，口罩本体1上部设置有条形石墨烯复合水凝胶2。如图2所示，在普通口罩一边固定石墨烯复合水凝胶即可制备得到防雾口罩。 [0028] 下面通过一些实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步说明。但是，实施例和对比例是用于解释本发明实施方案，并不超出本发明主题的范围，本发明保护范围不受所述实施例的限定。除非另作特殊说明，本发明中所用材料、试剂均可从本领域商业化产品中获得。 [0029] 本发明以下实施例中防雾效果的实验方法采用重量法测定，即凝胶材料对水蒸气的吸收性能。不同吸收性能会对复合水凝胶质量的影响不同。具体方法为：将石墨烯复合水凝胶材料放置于温度为50度的雾化仪（控制室内湿度为80%）中1分钟，然后用分析天平称量其质量变化。实施例1 [0030] 淀粉10g溶解于60mL蒸馏水中，加入10mL 4.0mg/mL比表面积为98平方米/克的还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到 90 ℃，30 min；再加入5g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温，即得石墨烯功能化复合水凝胶。将石墨烯复合水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为5.53克。 [0031] 对比例1淀粉10g溶解于60mL蒸馏水中，在搅拌条件下加热到 90 ℃，30 min；再加入5g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温，即得淀粉水凝胶。将水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为0.86克。 [0032] 与实施例1相比，对比例1中未添加还原氧化石墨烯，防雾效果实验显示实施例1提供的凝胶材料的水蒸气吸收性能明显高于对比例1，表明还原氧化石墨烯与淀粉基水凝胶之间具有协同增效的作用。实施例2 [0033] 淀粉20g溶解于60mL蒸馏水中，加入10mL 4.0mg/mL比表面积为46平方米/克的还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到 90 ℃，30 min；再加入5g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温。即得石墨烯功能化复合水凝胶。将石墨烯复合水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为3.75克。实施例3 [0034] 淀粉20g溶解于60mL蒸馏水中，加入10mL 4.0mg/mL比表面积为98平方米/克的还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到 80 ℃，30 min；再加入10g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温。即得石墨烯功能化复合水凝胶。将石墨烯复合水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为8.81克。实施例4 [0035] 淀粉20g溶解于60mL蒸馏水中，加入10mL 4.0mg/mL比表面积为98平方米/克的还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到100 ℃，60 min；再加入10g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温。即得石墨烯功能化复合水凝胶。将石墨烯复合水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为6.32克。实施例5 [0036] 淀粉20g溶解于60mL蒸馏水中，加入10mL 5.0mg/mL比表面积为98平方米/克的还原氧化石墨烯水溶液，在搅拌条件下加热到 80 ℃，30 min；再加入10g 硅胶胶体，搅拌5分钟。冷却到室温。即得石墨烯功能化复合水凝胶。将石墨烯复合水凝胶材料放置于雾化仪1分钟，然后用分析天平称量其质量变化为9.95克。实施例6 [0037] 将实施例5制备好的石墨烯复合水凝胶压模切割，制成厚度为0.2厘米，长度为15厘米，宽为2厘米的矩形长条；将上述石墨烯复合水凝胶条通过其自身粘附性固定到口罩上边沿，即得到复合水凝胶防起雾口罩。 |
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