CN105433468A - 一种基于静电吸附和光触媒的口罩 - Google Patents

Abstract

一种基于静电吸附和光触媒的口罩，属于卫生防护技术领域。包括罩体和带绳，其特征是，所述罩体为五层结构：光触媒过滤层、外侧活性导电碳纤维布、精细过滤绝缘层、内侧活性导电碳纤维布、导流贴合过滤层；所述外侧、内侧活性导电碳纤维布由夹在两者之间的精细过滤绝缘层隔离，两者之间并设有驱动模块、记忆定型片、电池模块和导线，外侧、内侧活性导电碳纤维布分别通过导线与驱动模块、电池模块的正、负极相连，构成静电吸附机构；所述光触媒过滤层由2-4层包覆有复合纳米光触媒的纱布组成；所述导流贴合过滤层由内侧的贴合层和其外侧的导流层构成。该口罩综合利用光触媒消毒、静电吸附、多孔材料吸附和织物阻尘等技术，在保证口罩佩戴舒适的情况下，大大提高了其过滤空气的能力。

Description

一种基于静电吸附和光触媒的口罩

技术领域

本发明涉及一种健康环保型口罩，具体是一种基于静电吸附和光触媒的口罩，属于卫生防护技术领域。

背景技术

目前的口罩大多数仅仅具有一定的过滤功能，一些号称能对付雾霾的口罩，其过滤精度也很差，并不能过滤空气中PM2.5级别的微小尘埃。这类口罩主要是通过阻挡的方式阻止污染物进入人体。但由于人正常呼吸的需要，口罩的呼吸阻力不能太大，这就造成了阻尘效率与呼吸阻力的矛盾。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述阻尘效率与呼吸阻力的矛盾，本发明提供一种基于静电吸附和光触媒的口罩，该口罩综合利用光触媒消毒、静电吸附、多孔材料吸附和织物阻尘等技术，在保证口罩佩戴舒适的情况下，大大提高了其过滤效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于静电吸附和光触媒的口罩，包括起过滤作用的罩体和连接于罩体两侧的带绳，其特征是，所述罩体为五层结构，从外到内依次是：光触媒过滤层、外侧活性导电碳纤维布、精细过滤绝缘层、内侧活性导电碳纤维布、导流贴合过滤层,所述光触媒过滤层包覆有复合纳米光触媒；所述外侧、内侧活性导电碳纤维布由夹在两者之间的精细过滤绝缘层隔离，两者之间并设有驱动模块、记忆定型片、电池模块和连接导线，外侧、内侧活性导电碳纤维布分别通过导线与驱动模块的正、负极相连，并由驱动模块控制，从而使外侧、内侧活性导电碳纤维布构成静电吸附的正、负电极。

所述驱动模块包括电量检测模块、低电量提醒模块，能自动检测电阻，在短路或电阻过小时，能自动断电，并通过指示灯进行提醒。

所述光触媒过滤层由2-4层包覆有复合纳米光触媒的纱布组成；所述包覆有复合纳米光触媒的纱布采用交联和/或接枝的方法将复合纳米光触媒包覆在纱布表面。

所述导流贴合过滤层由内侧的贴合层和其外侧的导流层构成；所述贴合层可采用口罩专用纯棉纱布，并在口罩边缘部位喷涂硅胶，与定位记忆片一起起护肤、贴合作用；所述导流层为便于气流横向扩散和纵向通过的纱网或纱布。

所述交联的方法是利用偶联剂作为中间载体连接复合纳米光触媒与纱布，即将复合光触媒粉体、偶联剂、溶剂配置为复合纳米光触媒整理液，依次通过二浸二扎、预烘、焙烘、后整理工艺，将复合纳米光触媒包覆在纱布表面。

所述接枝的方法是以氢提取紫外线接枝法，借助光引发剂、偶联剂，将复合纳米光触媒以隔离接枝的方式接枝到纱布表面，避免了光触媒对纱布的直接接触，可以在很大程度上减少光触媒对纱布的损伤；即将复合光触媒粉体、光引发剂、偶联剂、溶剂配置为复合光触媒整理液，依次通过二浸二扎、紫外线照射、乙醇浸泡、水洗、烘干、后整理工艺，将复合纳米光触媒接枝在纱布表面。

所述复合纳米光触媒包括以下各组份制备而成：WO₃-TiO₂为、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌、二氧化硅；并采用复合半导体、离子掺杂、离子注入与等离子体处理、表面光敏化、贵金属沉积、粉体形状改性中的一种或多种方法进行改性处理；

所述精细过滤绝缘层由2-4层口罩专用绝缘纱布构成。

所述偶联剂为KH-570。

所述光引发剂为二苯甲酮。

本发明中，外侧活性导电碳纤维布、内侧活性导电碳纤维布、驱动模块、电池模块和连接导线共同构成了口罩的静电吸附机构，电池模块为整个静电吸附供电。复合纳米光触媒以锐钛矿纳米二氧化钛为主，并根据产品市场定位和成本控制的需要。

复合半导体的方法包括简单组合、掺杂、多层结构和异相组合。其中，简单组合有纳米TiO₂和纳米ZnO按6-9:4-1的比例混合；锐钛矿TiO₂和金红石TiO₂的混晶，使锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层；TiO₂耦合半导体主要有CdS-TiO₂、WO₃-TiO₂、SnO₂-TiO₂、ZrO₂-TiO₂和V₂O₅-TiO₂，WO₃-TiO₂中WO₃最佳掺量为TiO₂重量的3%。

离子掺杂是采用一种或多种金属离子共同掺杂，金属离子包括W⁶⁺、V⁵⁺、Cr⁶⁺、Mo⁵⁺、Ce⁴⁺、Pb²⁺、La³⁺、Fe³⁺，非金属离子包括S^2-、O^2-、P^3-、F^-、C^4-、N^3-。

离子注入法是通过高能金属离子如V、Cr、Mn、Fe、Ni，轰击TiO₂，使其光谱效应产生红移，红移的程度依赖于注入的金属离子的种类和数量，对不同的金属离子红移的顺序为V＞Cr＞Fe＞Mn＞Ni。而对同种金属离子红移的量随注入离子含量的增加而增加。

表面光敏化的方法是通过添加光活性敏化剂，包括一些贵金属化的复合化合物（如Ag、Pt、Pd、Au、Ru的氯化物）、钌吡啶类络合物，及各种有机染料，使其以物理或化学特性吸附于TiO₂的表面，从而扩大了TiO₂激发波长的范围。

贵金属沉积的方法在半导体TiO₂表面附载贵金属元素,如Ⅷ族的Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh,其中载银二氧化钛中的纳米银为TiO₂总重量的1%。

粉体形状改性的方法包括和改善微粒形状；所述减小粒径是指减小光触媒粉体的粒径，其值控制在10nm以内；改善微粒形状是为了提高TiO₂的比表面积,把所述的TiO₂做成了合适的形状,如纳米薄膜、纳米管、纳米针或线、纳米棒、纳米微球或空心球，以及纳米复合物；所述纳米氧化锌选用六角锥形纳米氧化锌。

导流贴合过滤层由内侧（人脸一侧）的贴合层和其外侧导流层构成；所述贴合层可采用口罩专用纯棉纱布，并在口罩边缘部位喷涂硅胶，起护肤、贴合作用；所述导流层为空隙大的便于气流横向扩散和纵向通过的纱网或纱布，可减少气闷现象。

本发明口罩过滤部分由五层布/毡构成，外侧、内侧活性导电碳纤维布由夹在两者之间的精细过滤绝缘层隔离，避免了电路短路。驱动模块能自动检测内外导电纱网之间的电阻，在因雨淋、损坏等因素而导致短路，或电阻过小时，能自动停止对导电碳纤维布，并通过指示灯进行提醒。此外，驱动模块还具有电量检测、低电量提醒等功能。驱动板由电池模块供电，电池模块由纽扣电池、电池座和导线组成。

光触媒过滤层是光触媒的载体，一般选用优质无纺布纱布做基层，并在其表面包覆复合纳米光触媒，形成光触过滤层。

本发明中，静电吸附的作用机理是：室外空气中的带负电荷的尘埃，在通过口罩时，首先被外层带正电荷的导电碳纤维布所吸附；室外空气中的不带电荷的尘埃，在通过口罩时会因感应而产生电荷，同种电荷相斥、异种电荷相吸，从而被导电碳纤维布所吸附；室外空气中的带正电荷的粒子，在通过口罩时，首先被外层带正电荷的导电碳纤维布所排斥，即使粒子动能较大，能克服斥力，也会被内层带负电荷的导电碳纤维布所吸附。

光触媒的作用机理是：在光照下,光子的能量大于半导体禁带宽度,其价带上的电子(e一)就会被激发到导带上,同时在价带上产生空穴(h+)，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并,并产生热能或其他形式散发掉。当光触媒催化剂存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时,电子和空穴的复合得到抑制,就会在光触媒催化剂表面发生氧化-还原反应。价带空穴是良好的氧化剂,导带电子是良好的还原剂,在半导体光催化反应中,一般与表面吸附的H₂O、O₂反应，生成氧化性很活泼的羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(O₂ ^-)，能够把各种有机物直接氧化成CO₂、H₂0等无机小分子,而且因为他们的氧化能力强,一般不停留在中间步骤,不产生中间产物，光触媒本身也不会被消耗。

由于半导体的光吸收阈值与带隙宽具有如下关系:

λ_g(nm)=1240/E_g(ev)

TiO₂的带隙宽E_g=3.2eV，通过计算可知，能够激发TiO₂进行光催化的光主要为波长小于或等于387.5nm的紫外光,而紫外光在太阳光中只占5%左右,所以太阳光利用效率低。

根据理论研究与实验，光触媒的作用机理具有以下特征：第一，光触媒光催化反应中生成的活性羟基[·OH]具有402.8mJ/mol的反应能，高于有机物中如C-C、N-H、C-N、C-H、H-O、C-O等化学键的键能，会导致大多数有机物在不同程度上发生光催化分解反应；第二，光触媒的催化反应必须在纳米光触媒微粒的表面进行;第三,单纯的二氧化钛光触媒只有在紫外线(λ<388nm)照射时才具有光催化效应。

基于第一条，本发明采用交联与接枝方法将纳米光触媒包覆到无纺布或纱布表面。

基于第二条，本发明仅在口罩的外侧设置光触媒过滤层，该层由2-4层包覆有光触媒的无纺布或纱布组成。

基于第三条，为了拓宽光触媒的频谱，本发明采用离子掺杂、原子掺杂、复合半导、离子注入与等离子体处理、光敏化和螯合其他催化材料等方法，提高光触媒对可见光，甚至是红外光的吸收能力。

本发明中光触媒附着的工艺与方法：

交联的方法——是利用偶联剂作为中间载体连接光触媒粉体与基层。KH-570是一种具有烯烃双键且性能优良的偶联剂，其与硅原子连接的烷氧基可与光触媒TiO₂表面吸附羟基反应生成Si-O-Ti共价键，牢固地结合在光触媒TiO₂的表面，并且一个光触媒TiO₂可以结合很多个KH-570分子。

接枝的方法——以氢提取紫外线接枝法为主，是一种比较常用的有机物基材辐照接枝方法。本发明选用二苯甲酮为光引发剂，与织物接触时，其在紫外线作用下可被激发到单线态S，而后迅速窜跃到三线态T，并夺取织物表面无定形区分子长链上的氢。其自身羰基夺取氢后被还原成羟基，同时在织物的表面产生一个表面自由基。该表面自由基即可与结合在光触媒TiO₂上的KH-570的双键反应，将光触媒接枝到织物的表面。该接枝方法中，光触媒颗粒以隔离接枝的方式接枝到纤维表面，避免了光触媒对织物的直接接触，可以在很大程度上减少光触媒对织物的损伤。

上述附着方法，需根据产品定位（包括使用寿命、销售价格等）和纱布特性选择其中一种，或者交联与接枝相结合的方法。

本发明中，光触媒改性目的是扩大可见光响应、抑制光生电子与空穴复合、提高表面氢氧自由基含量，本发明光触媒改性的技术方案如下：

离子掺杂的方法——包括阳离子掺杂和阴离子掺杂。一方面离子掺杂可以改变TiO₂的能级结构；另一方面掺杂使电子和空穴分离，延长了电子和空穴的寿命，使单位时间单位体积的光生电子和空穴的数量增多。金属离子掺杂是将一定量的金属离子引入到TiO₂晶格中,形成活性“小岛”,通过捕获电子或空穴，以及抑制电子-空穴对的复合速率影响TiO₂的光催化活性，主要是过渡金属离子如W⁶⁺、V⁵⁺、Cr⁶⁺、Mo⁵⁺、Ce⁴⁺、Pb²⁺、La³⁺、Fe³⁺等。第二过渡系列的金属离子比第一过渡系列的金属离子的掺杂作用要好,光催化性能更高，二六副族的金属离子也能同样起到很好的提高光催化活性的作用。阴离子掺杂主要有S^2-、O^2-、P^3-、F^-、C^4-、N^3-。本发明利用金属离子和非金属离子的协调效应，优选一种或多种金属离子和非金属离子共同掺杂。

复合半导的方法——复合的方式包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合等。通过半导体的耦合可提高***的电荷分离效率，扩展光谱响应的范围，提高光触媒的活性。其中，简单组合有纳米TiO₂和纳米ZnO按一定6-8:4-2的比例混合；锐钛矿TiO₂和金红石TiO₂的混晶组合中，锐钛矿晶体表面生长了薄的金红石结晶层,由于晶体结构的不同,能有效地促进锐钦矿晶体中光生电子和空穴的电荷分离(混晶效应)，具有较高的催化活性；TiO₂耦合半导体主要有CdS-TiO₂、WO₃-TiO₂、SnO₂-TiO₂、ZrO₂-TiO₂和V₂O₅-TiO₂，WO₃-TiO₂的最佳掺量为3%，并具有较好的可见光活性。

离子注入与等离子体处理的方法——离子注入法是通过高能金属离子轰击TiO₂来实现的。通过高压加速注入的过渡金属离子如V、Cr、Mn、Fe、Ni可不同程度的向可见光区域移动。红移的程度依赖于注入的金属离子的种类和数量，对不同的金属离子红移的顺序为：V＞Cr＞Fe＞Mn＞Ni；而对同种金属离子红移的量随注入离子含量的增加而增加。这种红移允许TiO₂能够有效利用太阳能，其利用率可达20%-30%。

表面光敏化的方法——光敏化是通过添加光活性敏化剂，包括一些贵金属化的复合化合物（如Ag、Pt、Pd、Au、Ru的氯化物）、钌吡啶类络合物，及各种有机染料等，使其以物理或化学特性吸附于TiO₂的表面，这些物质在可见光下具有较大的激发因子，在可见光照射下，吸附态光活性分子吸收光子后，被激发产生自由电子，然后激发态光活性分子将电子注入到TiO₂的导带上，从而扩大了TiO₂激发波长的范围。

贵金属沉积的方法——光触媒表面贵金属沉积是一种可以捕获激发电子的有效改性方法。在半导体TiO₂表面附载贵金属元素,不仅能促进光生电子/空穴对的分离,还可改变半导体的能带结构,更有利于吸收低能量光子,以增加光源的利用率。贵金属的沉积方法主要有浸渍还原法和光催化还原法,贵金属主要包括Ⅷ族的Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh等贵金属,其中Ag改性相对毒性较小,成本较低。

粉体形状改性的方法——包括减小粒径和改善微粒形状。前者是指减小光触媒粉体的粒径，当粒径小于30nm时,TiO₂的光催化活性明显增强,当其粒径小于10nm时催化活性剧烈增加，故本发明中控制其在8nm以内；后者是为了提高TiO₂的比表面积,把TiO₂做成了合适的形状,如纳米薄膜、纳米管、纳米针或线、纳米棒、纳米微球或空心球，以及纳米复合物。此外，氧化锌粉体必须选用六角锥形纳米氧化锌，因为这种氧化锌具有很高的光催化活性,通过对比实验发现其催化活性比P25型光触媒TiO₂高出近一倍。

上述改性方法，需根据产品定位（包括使用寿命、销售价格等）、附着工艺和纱网特性选择其中一种或多种。

本发明属于卫生防护领域内的一种健康环保型口罩。随着空气污染加剧、各种传染病频发，口罩的市场需求量巨大。而且，本发明的口罩具有技术合理、操作性强、健康环保，以及投资少，见效快的特点，容易实现产业化。

与传统的口罩相比，本发明的效果如下：

1）主动吸附空气中的尘埃——本发明的口罩具有静电吸附功能，能主动吸附空气中的尘埃。

2）杀菌空气中的细菌病毒——本发明的口罩具有光触媒催化分解功能，能杀灭空气中的细菌病毒。

3）清除空气中的有机污染——本发明的口罩具有光触媒催化分解功能，能清除空气中的花粉、凝胶等有机污染。

附图说明

图1为本发明中静电吸附与光触媒口罩的结构示意图；

图2为本发明中罩体的结构示意图；

图中：1光触媒过滤层、2外侧活性导电碳纤维布、3精细过滤绝缘层、4内侧活性导电碳纤维布、5导流贴合过滤层、6驱动模块、7记忆定型片、8电池模块、9带绳、10连接导线、11罩体（过滤部分）。

具体实施方式

一种基于静电吸附和光触媒的口罩，包括起过滤作用的罩体11和连接于罩体两侧的带绳9。罩体为五层结构，从外到内依次是：光触媒过滤层1、外侧活性导电碳纤维布2、精细过滤绝缘层3、内侧活性导电碳纤维布4、导流贴合过滤层5。

以活性碳纤维布为内、外侧活性导电碳纤维布，并在外侧、内侧活性导电碳纤维布之间放置两层口罩专用无纺布或纱布构成的精细过滤绝缘层，并安装驱动模块6、记忆定型片7、电池模块8、连接导线10，然后进行固定，电池模块为驱动模块供电，外侧、内侧活性导电碳纤维布分别通过连接导线与驱动模块的正、负极相连，并由驱动模块供电和控制，从而使外侧、内侧活性导电碳纤维布构成静电吸附的正、负电极。

光触媒过滤层由三层包覆有纳米光触媒的无纺布纱布组成。

导流贴合过滤层由内侧（人脸一侧）的贴合层和其外侧的导流层构成，其中贴合层可采用口罩专用纯棉纱布，并在口罩边缘部位喷涂硅胶，起护肤、贴合作用；导流层选用10目尼龙纱布为，具有气流横向扩散和纵向通过性能优越的特点，避免气流集中在口鼻处。

按下列顺序进行口罩缝合：3层光触媒原料布（光触媒过滤层）、1层活性导电碳纤维布（外侧）、两层口罩专用无纺布纱布（精细过滤绝缘层）、1层活性导电碳纤维布（内侧）、1层10目尼龙纱布、1层纯棉纱布（在口罩边缘部位已喷涂硅胶），并缝上带绳。

复合纳米光触媒采用复合半导、表面光敏化、贵金属沉积、粉体形状改性的方法进行改性。改性后的粉体的各组份按下列重量百分比制备为复合纳米光触媒：WO₃-TiO₂为30%、5nm锐钛矿型载银二氧化钛30%、10nm金红石型二氧化钛10%、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛14-19%、5nm纳米氧化锌10-15%、二氧化硅1%。WO₃-TiO₂中，WO₃为TiO₂总重量的3%；5nm锐钛矿型载银二氧化钛中，纳米银为TiO₂总重量的1%。

纳米光触媒采用接枝的方法包覆在无纺布或纱布表面，具体做法是：将复合光触媒粉体、光引发剂、偶联剂、溶剂配置为复合光触媒整理液，通过二浸二扎à紫外线照射à乙醇浸泡à水洗à烘干à后整理工艺，将纳米光触媒接枝在纱布表面。

驱动模块集成电量检测模块、低电量提醒模块，能自动检测电阻，在短路或电阻过小时，能停止导电，并通过指示灯进行提醒，驱动模块和电池模块均用硅胶进行绝缘密封。

Claims (10)

1.一种基于静电吸附和光触媒的口罩，包括起过滤作用的罩体（11）和连接于罩体两侧的带绳（9），其特征是，所述罩体为五层结构，从外到内依次是：光触媒过滤层（1）、外侧活性导电碳纤维布（2）、精细过滤绝缘层（3）、内侧活性导电碳纤维布（4）、导流贴合过滤层（5）,所述光触媒过滤层包覆有复合纳米光触媒；所述外侧、内侧活性导电碳纤维布由夹在两者之间的精细过滤绝缘层隔离，两者之间并设有驱动模块（6）、记忆定型片（7）、电池模块（8）和连接导线（10），外侧、内侧活性导电碳纤维布分别通过导线与驱动模块的正、负极相连，并由驱动模块控制，从而使外侧、内侧活性导电碳纤维布构成静电吸附的正、负电极。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述驱动模块包括电量检测模块、低电量提醒模块，能自动检测电阻，在短路或电阻过小时，能自动断电，并通过指示灯进行提醒。

3.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述光触媒过滤层由2-4层包覆有复合纳米光触媒的纱布组成；所述包覆有复合纳米光触媒的纱布采用交联和/或接枝的方法将复合纳米光触媒包覆在纱布表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述导流贴合过滤层由内侧的贴合层和其外侧的导流层构成；所述贴合层可采用口罩专用纯棉纱布，并在口罩边缘部位喷涂硅胶，与定位记忆片一起起护肤、贴合作用；所述导流层为便于气流横向扩散和纵向通过的纱网或纱布。

5.根据权利要求3所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述交联的方法是利用偶联剂作为中间载体连接复合纳米光触媒与纱布，即将复合光触媒粉体、偶联剂、溶剂配置为复合纳米光触媒整理液，依次通过二浸二扎、预烘、焙烘、后整理工艺，将复合纳米光触媒包覆在纱布表面。

6.根据权利要求3所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述接枝的方法是以氢提取紫外线接枝法，借助光引发剂、偶联剂，将复合纳米光触媒以隔离接枝的方式接枝到纱布表面，避免了光触媒对纱布的直接接触；即将复合光触媒粉体、光引发剂、偶联剂、溶剂配置为复合光触媒整理液，依次通过二浸二扎、紫外线照射、乙醇浸泡、水洗、烘干、后整理工艺，将复合纳米光触媒接枝在纱布表面。

7.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述复合纳米光触媒包括以下各组份制备而成：WO₃-TiO₂为、5nm锐钛矿型载银二氧化钛、10nm金红石型二氧化钛、5nm锐钛矿型高纯二氧化钛、5nm纳米氧化锌、二氧化硅；并采用复合半导体、离子掺杂、离子注入与等离子体处理、表面光敏化、贵金属沉积、粉体形状改性中的一种或多种方法进行改性处理。

8.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述精细过滤绝缘层由2-4层口罩专用绝缘纱布构成。

9.根据权利要求5所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述偶联剂为KH-570。

10.根据权利要求6所述的一种基于静电吸附和光触媒的口罩，其特征是，所述光引发剂为二苯甲酮。