CN111557501A - 一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩及制作方法 - Google Patents

一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩及制作方法，所述防菌口罩包括口罩本体和带绳，其中口罩本体包括位于中间的单层或多层纳米银线网格结构过滤层和由无纺布或脱脂棉纱布组成的上下两层支撑层。本发明技术方案所述的防护口罩过滤层具有导电能力佳、比表面积大、活性强、结构优化等特点，可以在实现优秀的杀菌抗病毒性能的同时，保证空气的自由流通，提高口罩佩戴的舒适性。此外，该纳米银线网格过滤网的制备工艺简单、灵活，可根据需要得到具有不同形状和不同尺寸的网格结构，能够满足实际需求并实现大规模的工业化生产。

Description

一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩及制作方法
技术领域
本发明涉及空气过滤和防菌复合结构制备技术领域，尤其涉及一种纳米银线复合网格的制备及防菌口罩的制作方法。
背景技术
随着科技的进步，人类逐步认识到粉尘、细微颗粒物、细菌、病毒等大气漂浮物及微生物对于身体健康的威胁，防护口罩应运而生。使用防护口罩可以有效隔离空气中的污染物，抑制有害细菌及病毒在公共场所的传播，保护人民群众的身体健康。在2020年新型冠状肺炎的防治工作中，防护口罩更是成为保护一线医护人员、控制疫情传播的重要战略物资。
目前常用的医用口罩一般为三层结构，包括由纺粘无纺布构成的内外层和由熔喷无纺布构成的中层过滤层，但是这种口罩对于空气之中的有害病毒及细菌的阻挡和灭杀作用有限。采用活性炭、PP滤纸、熔喷纤维布等组成过滤层，可以增强口罩的防护效果，但是随着过滤层的增加，口罩的透气性下降，不利于人们的佩戴体验。为此，研发具有高效抗菌抗病毒能力且具有高透气性的防菌口罩已成为亟需解决的问题。
纳米银为粒径在1-100nm的颗粒，由于其更大的表面积和更高的表面能，使得纳米银具有相较单质银更高的抗菌活性，可在很低的浓度下通过释放银离子干扰细菌和病毒的繁殖，从而达到卓越的抗菌效果。而纳米银线作为金属银的一维纳米材料，在制备上具有比纳米银颗粒更好的稳定性，且与支撑材料有着更好的嵌套、依附效果，被逐渐应用于抗菌防护领域。然而，现有专利中公布的纳米银线过滤、抗菌材料往往具有一定的局限性。如采用喷涂或印刷的方式直接将纳米银线依附于支撑基底上，所得到的纳米银线层往往厚度较薄且结构稀疏，无法保证与各类病菌的充分接触；而过度涂敷纳米银线或复合其他导电材料又会使材料的柔性及透气性降低。因此，有必要研发新型的过滤材料、改进过滤层的结构，来制备具有优异抗菌抗病毒功能且具有高透气性的防护口罩。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩及制作方法，以获得更好的抗菌抗病毒能力和佩戴舒适性。
对此，本发明采用的技术方案为：
本发明首先提供了一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩，其特征在于，所述防菌口罩包括口罩本体和带绳，所述口罩本体包括位于中间的多层纳米银线过滤层和上下两层支撑层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述多层纳米银线复合网格过滤层以转印或印刷的方式在支撑基底上形成纳米银线网格图案。
作为本发明的一种优选技术方案，所述纳米银线过滤层为单层或多层纳米银线网格图案形成于支撑基底的上表面或上下表面。
作为本发明的一种优选技术方案，所述纳米银线网格图案表面可以涂敷纳米金属颗粒、碳纳米管、石墨烯等高活性吸附或杀菌材料，并可借助热处理、加压、热辐照等方式增强连接及结构稳定性。
本发明进一步提供了一种纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，包括如下步骤：
S1)采用液相还原法生长出直径为60-150纳米，长度为30-150微米的纳米银线，制作出纳米银线分散液；
S2)利用激光刻蚀在玻璃片或PI膜上蚀刻出周期性排列的盲孔，作为网格转印的模板；
S3)将S1所得纳米银线涂敷在S2所得的玻璃片或PI膜模板上，形成纳米银线网格图案；
S4)借助PVA等粘性溶液对支撑基底进行涂敷处理，并加热干燥；
S5)将S4所得支撑基底放置在S3中带有纳米银线网格图案的模板上，利用热压处理，将纳米银线网格图案转印到支撑基底上；
S6)使用无纺布、脱脂棉纱布等作为上下支撑层，并与S5或S6所得纳米银线网格过滤层进行贴合、固定，形成纳米银线复合网格防菌口罩。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1)包括：以乙二醇为还原剂和溶剂，PVP为包覆剂(优选，其中PVP-360000与PVP-58000混合质量比例为2:1)，CuCl2或FeCl3溶液为控制剂，硝酸银为前驱体，在140℃-160℃的油浴锅中反应40min-5h，制备得到平均长度可达50μm-100μm，直径为80-150nm的纳米银线，并将其分散于乙醇中备用。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1)包括：以25mL-30mL的乙二醇为还原剂和溶剂，0.2g-0.4g的PVP为包覆剂，其中PVP-360000与PVP-58000混合质量比例为2:1，4mL-4.5mL的0.6mM-4mM CuCl2或FeCl3溶液为控制剂，0.2g-0.25g的硝酸银为前驱体。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4)包括：在无纺布支撑基底上涂敷2wt％的PVA水溶液，60℃烘干；
作为本发明的一种优选技术方案，所述S5)包括：将其与带有纳米银线图案的玻璃片贴合，通过热压转印，热压转印参数为60℃、3MPa、10min，将纳米银线图案转移到支撑基底上，形成纳米银线过滤层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S6)包括：重复S3)-S5)，将多个带有纳米银线网格图案的支撑基底进行热压贴合，形成纳米银线多层网格过滤层，再使用无纺布、脱脂棉纱布等作为上下支撑层，并与S5或S6所得纳米银线网格过滤层进行贴合、固定，形成纳米银线复合网格防菌口罩。
采用此技术方案，多层纳米银线过滤层可以使有害细菌、病毒等与纳米银线充分接触，从而增强口罩的防护效果，而采用纳米银线宏观网格图案可以在保证纳米银线过滤层的高导电性、纳米银线高比表面积的前提下，增强过滤层的透气性，提高人们佩戴口罩的舒适性。
进一步的，所述多层纳米银线复合网格过滤层以转印或印刷的方式在支撑基底上形成纳米银线网格图案。采用此技术方案，利用模板的辅助作用可以实现纳米银线宏观网格结构在支撑基底上的制备，通过调整模板图案的形状、大小及间距，得到合适的纳米银线网格图案，既保证纳米银线与空气中污染物的充分接触，又保证过滤层的整体透气性。
作为本发明的进一步改进，所述纳米银线过滤层为单层或多层纳米银线网格图案形成于支撑基底的上表面或上下表面。采用此技术方案，可以根据需要选择合适的纳米银线过滤层层数，进一步提高纳米银线网格图案的吸附、过滤、抗菌抗病毒能力。
作为本发明的进一步改进，所述纳米银线网格图案表面可以涂敷纳米金属颗粒、碳纳米管、石墨烯等高活性吸附或杀菌材料，并可借助热处理、加压、热辐照等方式增强连接及结构稳定性。采用此技术方案，可以进一步提高纳米银线过滤层的吸附、过滤、抗菌抗病毒能力，并提高所得防护口罩的使用稳定性。
上述防护口罩的制作工艺流程简单、环境及设备要求低，且纳米银线网格图案的结构可控，可利用激光刻蚀机直接加工出具有所设计的网格图案的模板，从而利用热压转印工艺将所得到的纳米银线网格图案灵活的转移到理想的支撑基底上，进而快速贴合制成防护口罩；同时，所得防护口罩内部的纳米银线过滤层具有质轻、导电性好、比表面积大、杀菌抗病毒能力强、透气性强、结构和环境稳定性好等特点，具有明显的应用优势。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明技术方案所得防护口罩中的纳米银线网格结构过滤层的比表面积大、活性强，其内部密集的纳米银线网络在空气及人体呼出水汽的作用下可直接形成大量的银离子，实现优秀的杀菌抗病毒性能；多层结构的设计可以在不损失材料的透气性的前提下，进一步改善其对微纳尺寸颗粒、细菌、病毒的吸附能力和灭杀效果；透气性强：纳米银线宏观网格结构的设计可以保证空气的自由流通，提高口罩佩戴的舒适性；同时，结构稳定性好，可满足日常使用的变形需求。
第二，现有工艺一般通过增加纳米银线薄膜的厚度来提升其抗菌性，但厚度的增加会带来质量的增加且薄膜将表现出明显的刚性或脆性，易发生破损或脱落。而本发明采用多层纳米银线网格结构过滤层来代替单层纳米银线过滤层，一方面可以将纳米银线限制在网格区域，从而提高了纳米银线的使用效率和过滤层整体的透气性。另一方面可以通过结构设计使得多层结构中的纳米银线被有效利用，从而在不损失防菌效果的前提下，减轻了过滤膜整体的质量，具有明显的结构优势。
第三，本发明的技术方案基于模板法制备纳米银线网格图案，仅需改变所需的图案的图形文件，即可灵活刻蚀得到具有相应图案的模板，进而通过热压转印的方式将纳米银线网格图案转移到支撑基底上，该制备工艺简单，对材料和设备的成本要求较低，且所得模板可重复利用，能够实现大规模的工业化生产。
附图说明
图1为本发明提出的一种三层纳米银线抗菌口罩的结构示意图。
图2是纳米银线复合网格过滤层的制备工艺示意图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例和附图作进一步的详细说明，但本发明不局限于此。
实施例1
参照图1和图2所示，一种单层纳米银线圆形网格防菌口罩，其制备方法包括：
(1)以乙二醇(30mL)为还原剂和溶剂，PVP(0.4g)为包覆剂(其中PVP-360000与PVP-58000混合质量比例为2:1)，CuCl2溶液(4.5mL，4mM)为控制剂，硝酸银(0.2g)为前驱体，在160℃的油浴锅中反应40min，制备得到平均长度可达50μm，直径为80-100nm的纳米银线，并将其分散于乙醇中备用。
(2)利用激光切割得到具有圆形网格的铜板模具(厚度为0.3mm)，浇注翻模硅胶(硬度为60)，待其固化后脱模得到带有颗粒的硅胶模板。
(3)将硅胶模板与玻璃片紧密贴合，向网格区域注射纳米银线分散液，60℃烘干后，即在玻璃片上得到纳米银线圆形网格图案。
(4)在无纺布支撑基底上涂敷PVA水溶液(2wt％)，60℃烘干后，将其与带有纳米银线图案的玻璃片贴合，通过热压转印(60℃、3MPa、10min)，将纳米银线图案转移到支撑基底上，形成纳米银线过滤层。
(5)将所得纳米银线圆形网格过滤网贴合于两层无纺布或其他亲肤面料之间，通过缝合和黏结的方法安装拉紧带，形成高透气性纳米银线圆形网格防菌口罩。
本实施例所得纳米银线圆形网格防菌口罩的导电能力强，对空气中存在的微纳颗粒污染物、细菌、霉菌及病毒等污染物具有有效的物理阻隔和抗菌杀菌作用；另一方面，该过滤网内部的纳米银线圆形网格存在不含纳米银线的网洞区域，其空气流通能力强，佩戴体验感佳，且不易完全堵塞，使用寿命长，因此相对现有纳米银线过滤层结构具有明显的应用和性能优势。
实施例2
参照图1和图2所示，一种三层纳米银线方形网格结构防护口罩，其制备方法包括：
(1)以乙二醇(25mL)为还原剂和溶剂，PVP(0.2g)为包覆剂，FeCl3溶液(4mL，0.6mM)为控制剂，硝酸银(0.25g)为前驱体，在140℃的聚四氟乙烯反应釜中反应5h，制备得到平均长度可达100μm，直径为80-150nm的纳米银线，并将其分散于乙醇中备用。
(2)利用紫外激光刻蚀机在玻璃片上刻蚀一系列的周期性方形盲孔，将纳米银线分散液涂敷于带有盲孔的玻璃片上，形成纳米银线薄膜。
(3)在无纺布支撑基底上涂敷PVA水溶液(2wt％)，60℃烘干后，将其与带有纳米银线图案的玻璃片贴合，通过热压转印(60℃、3MPa、10min)，将纳米银线图案转移到支撑基底上。
(4)重复步骤(2)、(3)，将3个带有纳米银线方形图案的支撑基底压合在一起，形成三层纳米银线方形网格结构过滤层。
(5)将所得纳米银线方形网格过滤网贴合于两层无纺布或其他亲肤面料之间，通过缝合和黏结的方法安装拉紧带，形成高透气性三层纳米银线方形网格防菌口罩。
相较于实施例1所得防菌口罩，本实施例所得三层纳米银线方形网格防菌口罩的防菌效果更强，通过借助多层纳米银线网格结构实现对空气中存在的微纳颗粒污染物、细菌、霉菌及病毒等污染物更为有效的物理阻隔和抗菌杀菌作用。该防护口罩使用多层网格结构作为过滤层，在提高其抗菌能力的同时，由于网洞的存在增强了空气的流通能力，提高了防护口罩的透气性，因而有助于提高人们在长时间佩戴防菌口罩时的体验感。
对比例1
一种纳米银线抗菌口罩，包括口罩本体和带绳，所述口罩本体包括上下两层支撑底布，中间层为纳米银线空气过滤网杀菌层；上层支撑底布和下层支撑底布均为无纺布过滤层；上层支撑底布上方设有外表层，下层支撑底布下方设有内表层，其制作方法包括以下步骤：
(1)采用化学法生长出纳米银线，加入纳米银颗粒，再混入专用涂布液中制作出纳米银线墨水；
(2)将纳米银墨水印刷或涂布到支撑网上；
(3)采用200℃左右的烤箱或是强光照射对纳米银线过滤膜进行热处理；
(4)热固化成膜后，形成多层网状编织的三维结构。
(5)将上下支撑网进行贴合固定，形成纳米银线空气过滤网。
(6)将上下支撑底布进行缝合/贴合固定。
(7)将外表层和内表层进行缝合/贴合固定，形成纳米银线抗菌口罩。
该实施例工艺条件下，通过多次印刷和高温烧结的方式将纳米银线和纳米颗粒墨水烧结为多层网络编织的三维结构。然而，该实施例的工艺复杂，纳米线合成之后需要多次印刷及固化才能形成过滤膜，且随着纳米银线层厚度的增加，印刷后的空气流通能力减弱，降低口罩整体的透气性。此外，通过多层印刷和烧结的方法易获得平面烧结体，但将增加所得印刷结构的刚性和脆性，使其发生破损或断裂，失去抗菌抗病毒能力。综上所述，本发明相对该对比例具有明显的工艺和性能优势。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩，其特征在于，所述防菌口罩包括口罩本体和带绳，所述口罩本体包括位于中间的多层纳米银线过滤层和上下两层支撑层。
2.根据权利要求1所述的一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩，其特征在于：所述多层纳米银线复合网格过滤层以转印或印刷的方式在支撑基底上形成纳米银线网格图案。
3.根据权利要求1所述的一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩，其特征在于：所述纳米银线过滤层为单层或多层纳米银线网格图案形成于支撑基底的上表面或上下表面。
4.根据权利要求1所述的一种高透气性纳米银线复合网格防菌口罩，其特征在于：所述纳米银线网格图案表面可以涂敷纳米金属颗粒、碳纳米管、石墨烯等高活性吸附或杀菌材料，并可借助热处理、加压、热辐照等方式增强连接及结构稳定性。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)采用液相还原法生长出直径为60-150纳米，长度为30-150微米的纳米银线，制作出纳米银线分散液；
S2)利用激光刻蚀在玻璃片或PI膜上蚀刻出周期性排列的盲孔，作为网格转印的模板；
S3)将S1所得纳米银线涂敷在S2所得的玻璃片或PI膜模板上，形成纳米银线网格图案；
S4)借助PVA等粘性溶液对支撑基底进行涂敷处理，并加热干燥；
S5)将S4所得支撑基底放置在S3中带有纳米银线网格图案的模板上，利用热压处理，将纳米银线网格图案转印到支撑基底上；
S6)使用无纺布、脱脂棉纱布等作为上下支撑层，并与S5或S6所得纳米银线网格过滤层进行贴合、固定，形成纳米银线复合网格防菌口罩。
6.一种如权利要求5所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，所述S1)包括：以乙二醇为还原剂和溶剂，PVP为包覆剂，CuCl2或FeCl3溶液为控制剂，硝酸银为前驱体，在140℃-160℃的油浴锅中反应40min-5h，制备得到平均长度可达50μm-100μm，直径为80-150nm的纳米银线，并将其分散于乙醇中备用。
7.一种如权利要求7所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，所述S1)包括：包覆剂中PVP-360000与PVP-58000混合质量比例为2:1。
8.一种如权利要求7所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，所述S1)包括：以25mL-30mL的乙二醇为还原剂和溶剂，0.2g-0.4g的PVP为包覆剂，其中PVP-360000与PVP-58000混合质量比例为2:1，4mL-4.5mL的0.6mM-4mM CuCl2或FeCl3溶液为控制剂，0.2g-0.25g的硝酸银为前驱体。
9.一种如权利要求5所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，所述S1)包括：所述S4)包括：在无纺布支撑基底上涂敷2wt％的PVA水溶液，60℃烘干；所述S5)包括：将其与带有纳米银线图案的玻璃片贴合，通过热压转印，热压转印参数为60℃、3MPa、10min，将纳米银线图案转移到支撑基底上，形成纳米银线过滤层。
10.一种如权利要求5所述的纳米银线复合网格防菌口罩的制作方法，其特征在于，所述S6)包括：重复S3)-S5)，将多个带有纳米银线网格图案的支撑基底进行热压贴合，形成纳米银线多层网格过滤层，再使用无纺布、脱脂棉纱布等作为上下支撑层，并与S5或S6所得纳米银线网格过滤层进行贴合、固定，形成纳米银线复合网格防菌口罩。
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