CN109316679A - 摩擦电吸附面罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦电吸附面罩，包括：面罩载体，上面设置有进气口；第一摩擦层，位于面罩载体的进气口的位置；以及第二摩擦层，与所述第一摩擦层可接触、可分离、可摩擦；其中，所述第一摩擦层与第二摩擦层为摩擦电极序不同的材料。通过将摩擦纳米发电机置入摩擦电吸附面罩的进气口处，通过呼气与吸气的反复过程，将人体呼吸过程中的机械能转化为电能，并且摩擦层也兼具过滤层的作用，实现对外界小粒径颗粒的静电吸附和有效过滤，提高了粒径过滤效率，并延长了过滤膜片的使用寿命。

Description

摩擦电吸附面罩

技术领域

本公开属于摩擦发电和静电吸附技术领域，涉及一种摩擦电吸附面罩。

背景技术

随着工业化发展的进程不断加速，伴随着化石燃料的不断消耗和环境污染的加剧，大量可穿戴式防护设备应运而生，用于监测和防护人体的各功能区。呼吸作为人体维持必要生命特征的周期性运动，其吸入的气体成分对人体的健康至关重要，所以在污染的天气或特殊的工作环境下需要呼吸防护设备净化吸入气体。然而大多数防护设备单纯依靠传统的物理过滤、物理吸附等方式，对于空气中存在的危害较大的微小粒子的过滤效率不够理想。其中传统的物理吸附包括扩散，重力沉积，物理拦截和惯性碰撞等，在0.1μm～1μm的粒径范围内过滤效率很差，而另一种过滤方式如活性炭吸附又具有很短的寿命。此外，应用依据电能的静电吸附方式，吸附效果不错，但是由于需要以传统电源提供电能，对过滤膜片的寿命有了很大的限制。此外，传统的过滤方式，特别是物理过滤都是以牺牲透气性提高压力差来提高过滤效率。这样一来，在相同的压差下，很难找到一种传统的头戴式过滤设备可以将小于1μm的颗粒过滤掉并兼顾过滤效率和透气性。因此，需要开发出一种新型的呼吸防护设备，能够过滤粒径小于1μm的颗粒，且提高粒径过滤效率和使用寿命。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种摩擦电吸附面罩，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种摩擦电吸附面罩，包括：面罩载体100，上面设置有进气口200；第一摩擦层202，位于该面罩载体100的进气口200的位置；以及第二摩擦层204，与该第一摩擦层202可接触、可分离、可摩擦；其中，该第一摩擦层202与第二摩擦层204为摩擦电极序不同的材料。

在本公开的一些实施例中，摩擦电吸附面罩还包括：第一摩擦层载体201，设置于第一摩擦层202的背侧，与第一摩擦层202接触；以及第二摩擦层载体203，设置于第二摩擦层204的背侧，与第二摩擦层204接触。

在本公开的一些实施例中，在面罩载体200上还设置有出气口300；该摩擦电吸附面罩还包括：出气口阀门片301，设置于出气口300的位置，实现出气口300的开闭。

在本公开的一些实施例中，摩擦电吸附面罩还包括：第一滑动杆102，一侧固定于面罩载体100上的进气口200所在位置；以及第二滑动杆103，一侧固定于面罩载体100上的出气口300所在位置；其中，第二摩擦层203设置于第一滑动杆102上，随着第一滑动杆102运动；出气口阀门片301设置于第二滑动杆103上，随着第二滑动杆103运动。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层载体201与第一摩擦层202的材料均为透气性材料。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层202的材料为以下材料中的一种或几种：聚酰亚胺、尼龙或聚偏氟乙烯；第一摩擦层载体201的材料为如下材料中的一种或几种：铜网、不锈钢网、无纺布或编织布；第二摩擦层204的材料为如下材料中的一种或几种：铜、不锈钢或金；第二摩擦层载体203的材料为硅胶或橡胶。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层载体201第一摩擦层202的材料的透气率高于550mm/s；第二摩擦层载体203与第二摩擦层204的材料的透气率低于45mm/s。

在本公开的一些实施例中，面罩载体100的材料为高分子材料，包括：硅胶、橡胶或聚氯乙烯。

在本公开的一些实施例中，进气口200的形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合；第一摩擦层202的形状与进气口200的形状相同；第二摩擦层204的形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合。

在本公开的一些实施例中，第二摩擦层204的大小满足如下条件：覆盖第一摩擦层202。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的摩擦电吸附面罩，具有以下有益效果：

通过将摩擦纳米发电机置入摩擦电吸附面罩的进气口处，通过呼气与吸气的反复过程，将人体呼吸过程中的机械能转化为电能，并且摩擦层也兼具过滤层的作用，实现对外界小粒径颗粒的静电吸附和有效过滤，提高了粒径过滤效率，并延长了过滤膜片的使用寿命。

附图说明

图1A为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩的结构剖面示意图。

图1B为根据本公开实施例图1A所示摩擦电吸附面罩沿着A-A线的截面结构示意图。

图2为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩在呼气-吸气的一个周期内的工作原理图，其中，(a)为呼气状态下，对应的出气口打开，第一摩擦层与第二摩擦层接触摩擦，产生接触电荷的示意图；(b)为吸气的中间过程中，出气口关闭，随着气流经过第一摩擦层的颗粒被第一摩擦层静电吸附的示意图；(c)为吸气的末状态，颗粒被不断吸附，对应的第一摩擦层与第二摩擦层的表面电荷量降至最低的示意图；(d)为在再次呼气开始时，出气口逐渐打开，进气口逐渐关闭，使第二摩擦层向着第一摩擦层运动的示意图。

图3为本公开实施例的摩擦电吸附面罩和单纯的过滤膜片在四个小时之内对颗粒进行过滤后的电势变化对比图。

图4为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩在四个小时之内对不同粒径颗粒的过滤效率结果图。

图5为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和现有传统的过滤方式对粒径在0.1μm～1μm之间的颗粒的过滤效率对比图。

图6A为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩的压差对比图。

图6B为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩对于粒径为0.5μm的颗粒的过滤效果对比图。

图6C为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩对于粒径为2.5μm的颗粒的过滤效果对比图。

【符号说明】

100-面罩载体；

102-第一滑动杆； 103-第二滑动杆；

200-进气口；

201-第一摩擦层载体； 202-第一摩擦层；

203-第二摩擦层载体； 204-第二摩擦层；

300-出气口；

301-出气口阀门片。

具体实施方式

本公开提供了一种摩擦电吸附面罩，通过将摩擦纳米发电机置入摩擦电吸附面罩的进气口处，通过呼气与吸气的反复过程，将人体呼吸过程中的机械能转化为电能，并且摩擦层也兼具过滤层的作用，实现对外界小粒径颗粒的静电吸附和有效过滤，提高了粒径过滤效率，并延长了过滤膜片的使用寿命。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种摩擦电吸附面罩。

图1A为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩的结构剖面示意图；图1B为根据本公开实施例图1A所示摩擦电吸附面罩沿着A-A线的截面结构示意图。

结合图1A和图1B，本公开的摩擦电吸附面罩，包括：面罩载体100；进气口200，包括：第一摩擦层载体201，固定于面罩载体100上；第一摩擦层202，与第一摩擦层载体201接触；第一滑动杆102，一侧固定于面罩载体100上；第二摩擦层载体203，设置于第一滑动杆102上；以及第二摩擦层204，与第二摩擦层载体203接触，与第一摩擦层202可接触、可摩擦；出气口300，包括：第二滑动杆103，一侧固定于面罩载体上；以及出气口阀门片301，设置于第二滑动杆103上，实现出气口的开闭。

下面对本公开摩擦电吸附面罩的组成部分进行详细介绍。

面罩载体100的材料可以为如下材料中的一种或几种：硅胶、橡胶或聚氯乙烯PVC等高分子材料，优选环保、健康对于人体有亲和性的材料；

进气口200设置于面罩的上半部分，对应人体的头部鼻腔和口腔的位置；进气口200的形状即为第一摩擦层202与第一摩擦层载体201的形状，其形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合，具体表现可以为：三角形、矩形、椭圆形及其组合以及其他类型的形状，可以是规则形状，也可以是不规则形状，以美观、设计简便为佳，本实施例中进气口200的形状为圆形，参照图1B所示；

第一摩擦层202与第一摩擦层载体201紧密接触，二者均具有良好的透气性；第一摩擦层载体201的材料为但不限于如下材料中的一种或几种：铜网、不锈钢网、无纺布、编织布等透气性材料；第一摩擦层202的材料为以下材料中的一种或几种：聚酰亚胺、尼龙、聚偏氟乙烯等可以进行静电纺丝的材料；第一摩擦层202不仅仅作为一个摩擦层，还起到过滤层的作用，在外界颗粒进入人体鼻腔之前，实现过滤功能；在本实例中，第一摩擦层202的材料为聚偏氟乙烯静电纺丝，第一摩擦层载体201的材料为无纺布；

第二摩擦层204和第二摩擦层载体203的形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合，具体表现可以是三角形、矩形、椭圆形及其组合以及其他类型的形状，可以是规则形状，也可以为不规则形状等，可以与第一摩擦层202的形状相同或不同，优选形状相同；且第二摩擦层204和第二摩擦层载体203的面积应该满足可以覆盖第一摩擦层202；

第二摩擦层204和第二摩擦层载体203紧密接触，本实施例中优选第二摩擦层204和第二摩擦层载体203均为不透气性材料，这样使得第二摩擦层204和第二摩擦层载体203在呼吸过程中的运动更加剧烈，对应产生的过滤效果更好；但本公开不局限于第二摩擦层204和第二摩擦层载体203为不透气性材料，还可以是透气性材料或者透气性差一些的材料，只要满足在第一摩擦层202和第二摩擦层204之间存在压力差即可；且第二摩擦层204和第二摩擦层载体203位于滑动杆102上，随着呼吸过程，第二摩擦层204和第二摩擦层载体203沿着滑动杆102运动，第二摩擦层204与第一摩擦层202实现接触-分离，从而通过摩擦产生感应电荷；

第二摩擦层204的材料与第一摩擦层202的材料之间存在摩擦电极序差异即可，可以为但不限于如下材料中的一种或几种：铜、不锈钢、金等负摩擦极性的材料；第二摩擦层载体203的材料可以为但不限于如下材料中的一种或几种：硅胶、橡胶等不透气的具有支撑作用的材料。在本实例中，第二摩擦层204的材料为铜膜，第二摩擦层载体203的材料为硅胶片，第二摩擦层204的形状为圆形；

本公开中透气性是参考GB/T5453标准，测试方法为：在滤料两侧形成一个固定的压力差，监测单位时间内垂直通过滤料表面的空气量，即为透气率。在实验中我们设定实验条件为：压差100Pa，滤料面积是20cm²，则本实施例的第一摩擦层202的透气率要高于550mm/s(透气性极好)，而第二摩擦层204的透气率要低于45mm/s(透气性极差，几乎不透气)；

出气口300由出气口阀门片301和第二滑动杆103构成；出气口300的面积小于进气口200，出气口300的形状可以是三角形、矩形、椭圆形及其组合以及其他类型的形状，可以是规则形状，也可以是不规则形状，以美观、设计简便为佳，本实施例中出气口300的形状也为圆形，参照图1B所示；出气口阀门片301，设置于第二滑动杆103上，在呼吸过程中，可以沿着第二滑动杆103滑动，起到控制出气口开闭的作用；出气口阀门片301的材料可以是硅胶、橡胶等；

需要说明的是，第一摩擦层202与现有技术中常见的过滤膜片的材料类似，但是由于本公开中将该第一摩擦层置入了摩擦纳米发电机的结构中，设置于进气口，利用摩擦电极序不同的材料与之形成了摩擦电吸附面罩，使得该第一摩擦层兼具了过滤层和静电感应层的作用，同时由于其具有的静电吸附作用，使得其过滤效果更佳，且该摩擦电吸附面罩的使用寿命更长。

下面来介绍根据本公开实施例摩擦电吸附面罩的工作原理。

图2为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩在呼气-吸气的一个周期内的工作原理图。参照图2所示，以鼻腔处于附图的左侧方向面对第二摩擦层载体203进行分析，图2中位于图之间的黑色箭头表示顺序，本公开摩擦电吸附面罩的工作原理为：第二摩擦层204和第一摩擦层202的摩擦电极序不同，因此存在摩擦电负性差异，在呼吸运动的过程中，移动的第二摩擦层204与固定的第一摩擦层202发生接触和分离，由于接触起电和静电诱导，使得两层间产生电荷的分离，用于吸附吸入气体中的颗粒。下面以呼气-吸气的一个周期为例，详细介绍本实施例摩擦电吸附面罩的工作原理：在人体呼气过程中，鼻腔的空气气流瞬间冲击到第二摩擦层204上，使得第二摩擦层204与第一摩擦层202紧密接触，此时进气口200关闭，气流转而绕向出气口阀门片301，使得出气口阀门片301打开，气流排出面罩，此时第二摩擦层204和第一摩擦层202相互接触，产生摩擦电荷，如图2中(a)所示；在气流吸入的过程中，由于吸附面罩内外存在压力差导致出气口阀门片301与出气口300紧密接触，出气口300关闭；同时，进气口200打开，环境中的气流进入，在此过程中，由于第一摩擦层202和第一摩擦层载体201具有良好的透气性，那么气流携带的小颗粒随着气流进入的过程中，便不断被静电吸附，同时第一摩擦层202的表面电荷逐渐减少，如图2中(b)所示；当气流流过第二摩擦层204时，气流中的一部分粒子也被吸附，同时表面电荷减少，直到吸气过程完毕，第二摩擦层204和第一摩擦层202的表面电荷减到最少，如图2中(c)所示；在再次呼气开始时，出气口逐渐打开，进气口逐渐关闭，如图2中(d)所示，在此过程中，呼出的气体首先冲击处于鼻腔和口腔部位的第二摩擦层204，由于第二摩擦层204可以在第一滑动杆102上自由滑动，且不具有透气性，所以气流冲击到204上时，首先促使第二摩擦层204向第一摩擦层202运动，在气流冲击过后，便转向出气口300，这个过程进展到最后的状态是促使第一摩擦层202和第二摩擦层204最终接触，并产生接触电荷，即如图2中(a)所示的情形。如此循环往复，在呼气-吸气的过程中，不断产生接触电荷，同时随着气流经过第一摩擦层和第二摩擦层的颗粒被不断静电吸附，将人体呼吸过程中的机械能转化为电能，产生的电荷吸附吸入气体中的微小颗粒，达到过滤的效果。

通过实验对本公开实施例的摩擦电吸附面罩的效果与单纯的过滤膜片进行了对比。图3为本公开实施例的摩擦电吸附面罩和单纯的过滤膜片在四个小时之内对颗粒进行过滤后的电势变化对比图。如图3所示，将本公开实施例中的摩擦电吸附面罩和单纯的过滤膜片在同样的环境中放置4个小时，其中，单纯的过滤膜片(相当于本公开的第一摩擦层)的电势值一直在上升，而摩擦电吸附面罩的表面宏观电势最终维持在-150V，说明其吸附的电荷量逐渐增多，吸附量较大，过滤效果较好。

通过实验对本实施例的摩擦电吸附面罩对不同粒径颗粒的吸附效果进行考察。图4为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩在四个小时之内对不同粒径颗粒的过滤效率结果图。如图4所示，摩擦电吸附面罩对于不同粒径的颗粒的过滤效率不同，对于大粒径(＞2.5μm)的过滤效果优于小粒径(＜1μm)的过滤效果，其中，对于粒径为10μm的颗粒吸附效果可以接近100％，总体上对于不同粒径的颗粒来说，过滤效率均可以维持在85％以上。

另外，还通过实验对比了本公开实施例摩擦电吸附面罩和现有传统过滤方式对小粒径颗粒的过滤效果以及将本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩的压差与过滤效果进行对比，借以说明本公开摩擦电吸附面罩的有益效果。

图5为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和现有传统的过滤方式对粒径在0.1μm～1μm之间的颗粒的过滤效率对比图。图6A为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩的压差对比图。图6B为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩对于粒径为0.5μm的颗粒的过滤效果对比图。图6C为根据本公开实施例摩擦电吸附面罩和商业口罩对于粒径为2.5μm的颗粒的过滤效果对比图。

参照图5可知，本公开实施例摩擦电吸附面罩与传统的诸如扩散、物理拦截、重力沉积及惯性碰撞的物理过滤方式相比，该摩擦电吸附面罩在0.1μm～1μm之间有更好的过滤效率。

参照图6A至图6C，将本公开实施例的摩擦电吸附面罩与商业口罩进行对比，相同风速下，摩擦电吸附面罩的压差小于商业口罩的压差；且在压差相似的条件下，对于粒径为2.5μm的颗粒，摩擦电吸附面罩和商业口罩的过滤效率几乎相同，而对于粒径为0.5μm的颗粒，摩擦电吸附面罩的过滤效率优于商业口罩。

综上所述，本公开提供了一种摩擦电吸附面罩，通过将摩擦纳米发电机置入摩擦电吸附面罩的进气口处，通过呼气与吸气的反复过程，将人体呼吸过程中的机械能转化为电能，并且摩擦层也兼具过滤层的作用，实现对外界小粒径颗粒的静电吸附和有效过滤，提高了对小粒径颗粒的过滤效率，并延长了过滤膜片的使用寿命。

当然，根据实际需要，本公开摩擦电吸附面罩还包含其他的常见结构和材料，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦电吸附面罩，包括：

面罩载体(100)，上面设置有进气口(200)；

第一摩擦层(202)，位于所述面罩载体(100)的进气口(200)的位置；以及

第二摩擦层(204)，与所述第一摩擦层(202)可接触、可分离、可摩擦；

其中，所述第一摩擦层(202)与第二摩擦层(204)为摩擦电极序不同的材料。

2.根据权利要求1所述的摩擦电吸附面罩，还包括：

第一摩擦层载体(201)，设置于所述第一摩擦层(202)的背侧，与所述第一摩擦层(202)接触；以及

第二摩擦层载体(203)，设置于所述第二摩擦层(204)的背侧，与所述第二摩擦层(204)接触。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦电吸附面罩，其中：

所述面罩载体(200)上还设置有出气口(300)；

所述摩擦电吸附面罩还包括：出气口阀门片(301)，设置于所述出气口(300)的位置，实现出气口(300)的开闭。

4.根据权利要求1至3任一项所述的摩擦电吸附面罩，还包括：

第一滑动杆(102)，一侧固定于面罩载体(100)上的进气口(200)所在位置；以及

第二滑动杆(103)，一侧固定于面罩载体(100)上的出气口(300)所在位置；

其中，所述第二摩擦层(203)设置于所述第一滑动杆(102)上，随着所述第一滑动杆(102)运动；

所述出气口阀门片(301)设置于所述第二滑动杆(103)上，随着所述第二滑动杆(103)运动。

5.根据权利要求2至4任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中：

所述第一摩擦层载体(201)与第一摩擦层(202)的材料均为透气性材料。

6.根据权利要求2至5任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中：

所述第一摩擦层(202)的材料为以下材料中的一种或几种：聚酰亚胺、尼龙或聚偏氟乙烯；

所述第一摩擦层载体(201)的材料为如下材料中的一种或几种：铜网、不锈钢网、无纺布或编织布；

所述第二摩擦层(204)的材料为如下材料中的一种或几种：铜、不锈钢或金；

所述第二摩擦层载体(203)的材料为硅胶或橡胶。

7.根据权利要求2至6任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中：

所述第一摩擦层载体(201)与第一摩擦层(202)的材料的透气率高于550mm/s；

所述第二摩擦层载体(203)与第二摩擦层(204)的材料的透气率低于45mm/s。

8.根据权利要求1至7任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中，所述面罩载体(100)的材料为高分子材料，包括：硅胶、橡胶或聚氯乙烯。

9.根据权利要求1至8任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中：

所述进气口(200)的形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合；

所述第一摩擦层(202)的形状与所述进气口(200)的形状相同；

所述第二摩擦层(204)的形状包括：直线型封闭图形、弧线形封闭图形及其组合。

10.根据权利要求1至9任一项所述的摩擦电吸附面罩，其中，所述第二摩擦层(204)的大小满足如下条件：覆盖第一摩擦层(202)。