CN117337207A - 用基于聚合物的材料制成的防护遮罩 - Google Patents
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Abstract
本文提供了由基于聚合物的材料制成的防护遮罩以及形成所述材料的方法。形成交织的基于聚合物的材料的方法包括向基材施加粘合剂、从第一组纺丝电极将第一聚合物溶液静电纺丝到所述基材上、从第二组纺丝电极将第二聚合物溶液静电纺丝到所述基材上，以及施加热空气以使由第一聚合物溶液和第二聚合物溶液静电纺丝的基于聚合物的材料干燥，以形成交织的基于聚合物的材料。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年6月9日提交的美国临时申请序列号63/202,379的优先权和权益。前述申请的所有内容特此出于所有目的通过援引以其全文并入本文。
技术领域
本发明涉及用基于聚合物的材料制成的防护遮罩以及形成所述材料的方法。
背景技术
随着世界各地空气污染物(pollutant)水平的不断上升，对有效的防护遮罩的需求比以往任何时候都更为紧迫。目前的遮罩使用多种多样的材料，如过滤屏障(filtrationbarrier)，并取得了不同程度的成功。例如，通过常规方法生产的过滤屏障无法有效过滤掉具有各种尺寸的颗粒。因此，仍然非常需要用于在遮罩中使用的改进的材料以及用于制造此类材料的方法。
发明内容
鉴于前述背景，本发明的目的是提供一种形成具有高过滤效率的过滤屏障的替代方法。
因此，本发明的示例性实施例是一种形成基于聚合物的材料的交织结构的方法，所述方法包括步骤(1)向基材施加粘合剂，(2)从第一组纺丝电极将第一聚合物溶液静电纺丝到所述基材上，(3)从第二组纺丝电极将第二聚合物溶液静电纺丝到所述基材上，以及(4)施加热空气以使由所述第一聚合物溶液和所述第二聚合物溶液静电纺丝的所述基于聚合物的材料干燥。所述第一组纺丝电极和所述第二组纺丝电极彼此相邻安置。在整个过程中，所述基材以从第一组纺丝电极到第二组纺丝电极的方向移动，使得在所述基材上形成来自第一聚合物溶液的纤维层，并且在来自第一聚合物的纤维层上形成来自第二聚合物溶液的纤维层。在来自第一聚合物溶液的纤维层与来自第二聚合物溶液的纤维层之间形成包含来自第一聚合物溶液的纤维和来自第二聚合物溶液的纤维的交织结构。
在一个实施例中，上述方法的第一聚合物溶液和第二聚合物溶液在静电纺丝期间是稳定的，从而导致分别形成纳米纤维和亚微米纤维。
在另外的实施例中，上述方法的亚微米纤维与纳米纤维交织以形成用于面部遮罩的梯度过滤的多个层。
在另外的实施例中，上述方法的多个层包括亚微米纤维层、包含亚微米纤维和纳米纤维的交织层、以及纳米纤维层。
本文讨论了其他示例实施例。
本发明有许多优点。本发明的一个优点是，可以使用微纤维过滤器的支撑件在维持相对坚固的结构的同时生产相对厚的纳米纤维层。根据示例性实施例，本发明的另一个优点是，交织纤维层可以用于形成有效阻挡具有各种尺寸的外部污染物质(contaminant)的梯度过滤屏障。
附图说明
图1是根据示例实施例的静电纺丝过程的示意图。
图2是根据示例实施例的形成基于聚合物的材料的交织结构的方法的流程图。
图3A和图3B是根据示例实施例的交织结构中的纤维的SEM图像。
图4是根据示例实施例的形成用于面部遮罩的多个层的静电纺丝过程的示意图。
具体实施方式
如本文和权利要求中所使用的，“包含(comprising)”意指包括以下要素，但是不排除其他要素。
如本文和权利要求中所使用的，“微纤维”是指微米级尺寸的纤维，其包括但不限于具有1μm至100μm、在一些实施例中1μm至50μm的直径的纤维。
如本文和权利要求中所使用的，“亚微米纤维”是指亚微米级尺寸的纤维，其包括但不限于具有300nm至1000nm、在一些实施例中300nm至400nm的直径的纤维。
如本文和权利要求中所使用的，“纳米纤维”是指纳米级尺寸的纤维，其包括但不限于具有10nm至300nm、在一些实施例中100nm至200nm的直径的纤维。
本发明提供了使用静电纺丝来制造微米级以及甚至纳米级尺寸的纤维的方法。静电纺丝技术的实例是自由表面静电纺丝，也称为无针静电纺丝。在静电纺丝过程期间，基材(如非织造织物)沿许多纺丝电极穿行以在其表面上收集纤维。将聚合物溶液施加到纺丝电极上，从而导致在纺丝电极的表面上同时形成带电或带电荷的流体聚合物射流。聚合物纤维是通过使这些带电的流体聚合物射流产生和延长而形成的。
图1示出了根据示例实施例的用于形成多层纤维涂层的自由纺丝静电纺丝过程。退绕***150使基材110退绕。在进行静电纺丝过程之前，向基材110施加粘合剂130。基材110沿静电纺丝***100水平移动，穿过许多纺丝电极(SE1至SE8)以在其表面上收集纤维，并且被重绕***160重绕。
在一个示例实施例中，纺丝电极包括第一组纺丝电极和第二组纺丝电极。在一个示例实施例中，第一组纺丝电极(SE)由四个纺丝电极SE1-SE4组成，并且第二组纺丝电极由四个纺丝电极SE5-SE8组成。第一组纺丝电极和第二组纺丝电极如图1中所示彼此相邻安置，使得SE4和SE5紧挨着安置在彼此附近。基材110以从第一组纺丝电极到第二组纺丝电极的方向沿静电纺丝***移动。
在一个示例实施例中，将第一聚合物溶液同时施加至第一组纺丝电极的四个纺丝电极SE1-SE4。使第一聚合物溶液进行静电纺丝到基材110上，使得所述聚合物溶液在静电纺丝过程期间被拉延成多根纤维。更具体地，从所述四个纺丝电极SE1、SE2、SE3和SE4分别产生聚合物射流141、142、143和144。在溶剂蒸发后，所述聚合物射流形成纤维。将所述纤维沉积到基材110的表面上以形成来自第一聚合物溶液的纤维层(第一纤维层)。
在一个示例实施例中，第一聚合物溶液由至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物制成，使得由第一聚合物溶液产生的纤维是具有10-99nm的直径的纳米纤维。低偶极矩聚合物的实例包括但不限于聚氨酯、聚(偏二氟乙烯-共-氯三氟乙烯)、聚环氧乙烷和壳聚糖的共混物、聚己内酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(苯乙烯-共-马来酸酐)、或其组合。高偶极矩聚合物的实例包括但不限于聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、或其组合。
在一个示例实施例中，将第二聚合物溶液同时施加至第二组纺丝电极的四个纺丝电极SE5-SE8。当沉积有第一纤维层的基材110朝向第二组纺丝电极的方向移动时，使第二聚合物溶液进行静电纺丝到基材110上。从所述四个纺丝电极SE5、SE6、SE7和SE8分别产生聚合物射流145、146、147和148。在溶剂蒸发后，所述聚合物射流形成纤维。将所述纤维沉积在第一纤维层上以形成来自第二聚合物溶液的纤维层(第二纤维层)。
在一个示例实施例中，第二聚合物溶液由至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物制成，使得由第二聚合物溶液产生的纤维是具有300nm至1000nm的直径的亚微米纤维。在另一个实施例中，所述亚微米纤维的直径为300nm至400nm。
在一个示例实施例中，第一聚合物溶液或第二聚合物溶液可以包含至少一种疏水性纳米颗粒。在另外的示例实施例中，第一聚合物溶液或第二聚合物溶液可以包含至少一种能够在接触时杀死细菌的杀生物剂。在一些实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液二者均包含至少一种疏水性纳米颗粒。在一些实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液二者均包含至少一种能够在接触时杀死细菌的杀生物剂。
图1进一步展示了存在于第一组纺丝电极的聚合物射流144与第二组纺丝电极的聚合物射流145之间的重叠区域120。当基材110穿过重叠区域120时，在第一纤维层与第二纤维层之间形成包含来自第一聚合物溶液的纤维和来自第二聚合物溶液的纤维的交织结构。在一个示例实施例中，所述交织结构包含由第一聚合物溶液产生的纳米纤维和由第二聚合物溶液产生的亚微米纤维。
在一个示例实施例中，在基材110在静电纺丝过程结束时被重绕***160重绕之前，将热空气170施加到所述基材上以使由第一聚合物溶液和第二聚合物溶液静电纺丝的基于聚合物的材料干燥。
在第一聚合物溶液和第二聚合物溶液中使用的疏水性纳米颗粒的实例包括但不限于二氧化硅(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、勃姆石纳米颗粒或其组合。
在第一聚合物溶液和第二聚合物溶液中使用的杀生物剂的实例包括但不限于聚维酮碘(PVP-I)、苯扎氯铵(benzalkonium chloride)、苄索氯铵(benzethoniumchloride)、甲基苄索氯铵、西他氯铵(cetalkonium chloride)、氯化十六烷基吡啶、十六烷基三甲铵(cetrimonium)、溴化十六烷基三甲铵(cetrimide)、多法氯铵(dofaniumchloride)、四乙基溴化铵、二癸基二甲基氯化铵、度米芬(domiphen bromide)、或其组合。
在一个示例实施例中，所使用的粘合剂可以是天然粘合剂或合成粘合剂、或其组合。在一个示例实施例中，所使用的粘合剂可以是聚乙酸乙烯酯、乙烯乙酸乙烯酯、聚氨酯、或其组合。
现在参考图2，示出了根据示例实施例的形成基于聚合物的材料的交织结构的方法的流程图，所述方法包括向基材施加粘合剂(步骤210)，从第一组纺丝电极将第一聚合物溶液静电纺丝到基材上(步骤220)，从第二组纺丝电极将第二聚合物溶液静电纺丝到基材上(步骤230)，以及施加热空气以使第一聚合物溶液和第二聚合物溶液干燥(步骤240)。
在一个示例实施例中，第一组纺丝电极和第二组纺丝电极彼此相邻安置。在整个过程中，所述基材以从第一组纺丝电极到第二组纺丝电极的方向移动，使得在所述基材上形成来自第一聚合物溶液的纤维层，并且在来自第一聚合物的纤维层上形成来自第二聚合物溶液的纤维层。在来自第一聚合物溶液的纤维层与来自第二聚合物溶液的纤维层之间形成包含来自第一聚合物溶液的纤维和来自第二聚合物溶液的纤维的交织结构。
图3A和图3B示出了根据不同示例实施例，基于聚合物的材料的交织结构在扫描电子显微镜(SEM)(分别为×5000放大倍数和×10000放大倍数)下的不同纤维形态。交织结构包含与亚微米纤维交织的纳米纤维。
在如图3A中所示的一个示例实施例中，交织结构中的纳米纤维和亚微米纤维二者均没有形成任何分支，使得所述交织结构中纤维的表面是平滑的。在如图3B中所示的另一个实施例中，交织结构中的纳米纤维和/或亚微米纤维包含纳米分支。
实例1：包括基于聚合物的材料的交织结构的面部遮罩
本发明的一个方面(如图4中所示)涉及一种形成用于面部遮罩410的梯度过滤的多个层的工艺。在一个示例实施例中，面部遮罩410的所述多个层包括防护层411、预过滤层412、亚微米纤维层413、包含亚微米纤维和纳米纤维的交织层414、纳米纤维层415和基材416。
在一个示例实施例中，纳米纤维层415、交织层414和亚微米纤维层413使用如图1或本文中所描述的静电纺丝工艺通过第一聚合物溶液和第二聚合物溶液形成。在一个示例实施例中，将第一聚合物溶液同时施加至第一组纺丝电极SE1-SE4，并且将第二聚合物溶液同时施加至第二组纺丝电极SE5-SE8。在一个示例实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液在静电纺丝期间是稳定的，从而导致分别形成纳米纤维和亚微米纤维。
静电纺丝使用如图1或本文中所描述的静电纺丝***100在基材416上进行。在一个实施例中，静电纺丝***100是具有八个纺丝电极的Nanospider(NS 8S1600U，爱尔玛科公司(Elmarco)，捷克共和国)。在一个实施例中，在静电纺丝之前向基材416施加粘合剂。在静电纺丝过程期间，使纳米纤维层415沉积到基材416上。在第一组纺丝电极与第二组纺丝电极之间的重叠区域120中形成的交织层414经由机械联锁附接到纳米纤维层415上。随着从第一组纺丝电极向第二组纺丝电极的移动，亚微米纤维层413经由机械联锁附接到交织层414上。
沉积有纳米纤维层415、交织层414和亚微米纤维层413的基材416通过定位在静电纺丝***100的末端处的重绕***160重绕。在一个示例实施例中，将亚微米纤维层413经由单独的超声波焊接工艺层压至预过滤层412和防护层411。所述多个层组合在一起以形成有效阻挡具有各种尺寸的外部污染物的梯度过滤屏障。
在一个示例实施例中，防护层411是由多根具有10μm-50μm的直径的微纤维制成的非织造材料。在另外的示例实施例中，所述微纤维可以通过纺粘(spunbonding)生产并且是疏水性的。防护层411为相邻的预过滤层412提供防护。
在一个示例实施例中，预过滤层412是由多根具有1μm-5μm的直径的微纤维制成的非织造材料。在另外的示例实施例中，所述微纤维通过熔喷生产并且是疏水性的。在一个示例实施例中，所述微纤维由聚丙烯制成。在一个示例实施例中，所述微纤维可以是携带电荷的，这允许通过静电吸引有效地捕获污染物质，从而导致在不损害面部遮罩的透气性的情况下提高过滤效率。
在一个示例实施例中，亚微米纤维层413是由多根具有300nm至1000nm的直径的亚微米纤维制成的非织造材料。在另一个实施例中，所述亚微米纤维的直径为300nm至400nm。在具体的示例实施例中，由第二聚合物溶液形成的亚微米纤维包含至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物。在一个示例实施例中，第二聚合物溶液进一步包含至少一种疏水性纳米颗粒。由于第二聚合物溶液中存在至少一种疏水性纳米颗粒，因此亚微米纤维是超疏水性的。在一个示例实施例中，第二聚合物溶液进一步包含至少一种杀生物剂。亚微米纤维层413可以过滤掉尺寸大于约100nm的污染物质。
在一个示例实施例中，交织层414包括由第一聚合物溶液产生的纳米纤维和由第二聚合物溶液产生的亚微米纤维的交织结构。在具体的示例实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液包含至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物。在一个示例实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液进一步包含至少一种疏水性纳米颗粒。在一个示例实施例中，亚微米纤维和纳米纤维是超疏水性的。在一个示例实施例中，第一聚合物溶液和第二聚合物溶液进一步包含至少一种杀生物剂。交织层414可以过滤掉尺寸大于约50nm的污染物质。
在一个示例实施例中，纳米纤维层415是由多根具有10nm至300nm的直径的纳米纤维制成的非织造材料。在另一个实施例中，纳米纤维的直径为100nm至200nm。在具体的示例实施例中，由第一聚合物溶液形成的纳米纤维包含至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物。在一个示例实施例中，第一聚合物溶液进一步包含至少一种疏水性纳米颗粒。在一个示例实施例中，纳米纤维是超疏水性的。在一个示例实施例中，第一聚合物溶液进一步包含至少一种杀生物剂。纳米纤维层415可以过滤掉尺寸大于约10nm的污染物质。
在一个示例实施例中，基材416是由多根具有10μm-50μm的直径的微纤维制成的非织造材料。在另外的示例实施例中，微纤维通过纺粘生产并且是疏水性的。在一个示例实施例中，所述微纤维由聚丙烯制成。
在一个示例实施例中，面部遮罩400的多个层具有抗细菌功能，在一些实施例中，这是由于杀生物剂的存在。
在一个示例实施例中，亚微米纤维层413、交织层414和纳米纤维层415可以过滤掉大于95％的具有大于10nm的尺寸的非油基污染物质和油基污染物质二者。
本发明的示例性实施例由此得到了充分描述。尽管描述参考了特定的实施例，但是本领域的技术人员将会清楚，本发明可以通过这些具体细节的变化来实施。因此，本发明不应被解释为局限于本文阐述的实施例。
例如，在图4中将面部遮罩描述为具有六层(防护层、预过滤层、亚微米纤维层、交织层、纳米纤维层和基材)，但是显然，根据不同应用中使用者的偏好，可以省略一些层或者可以包括一些额外的层。
Claims (17)
1.一种形成基于聚合物的材料的交织结构的方法，所述方法包括：
向基材施加粘合剂；
从第一组纺丝电极将第一聚合物溶液静电纺丝到所述基材上；
从第二组纺丝电极将第二聚合物溶液静电纺丝到所述基材上，其中所述第一组纺丝电极和所述第二组纺丝电极彼此相邻安置；以及
施加热空气以使由所述第一聚合物溶液和所述第二聚合物溶液静电纺丝的所述基于聚合物的材料干燥；
其中在整个过程中，所述基材以从所述第一组纺丝电极到所述第二组纺丝电极的方向移动，使得在所述基材上形成来自所述第一聚合物溶液的纤维层，并且在来自所述第一聚合物的所述纤维层上形成来自所述第二聚合物溶液的纤维层；
由此，在来自所述第一聚合物溶液的纤维层与来自所述第二聚合物溶液的纤维层之间形成包含来自所述第一聚合物溶液的纤维和来自所述第二聚合物溶液的纤维的交织结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一组纺丝电极由四个纺丝电极组成，并且将所述第一聚合物溶液同时施加至所述四个纺丝电极。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二组纺丝电极由四个纺丝电极组成，并且将所述第二聚合物溶液同时施加至所述四个纺丝电极。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液包含至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物的共混物，使得所述静电纺丝从所述第一聚合物溶液产生具有10nm至300nm的直径的纳米纤维。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述静电纺丝产生具有100nm至200nm的直径的纳米纤维。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液进一步包含至少一种杀生物剂。
7.如权利要求4或权利要求6所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液进一步包含至少一种疏水性纳米颗粒。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二聚合物溶液包含至少一种低偶极矩聚合物和至少一种高偶极矩聚合物，使得所述静电纺丝从所述第二聚合物溶液产生具有300nm至1000nm的直径的亚微米纤维。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述静电纺丝产生具有300nm至400nm的直径的亚微米纤维。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液进一步包含至少一种杀生物剂。
11.如权利要求8或权利要求10所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液进一步包含至少一种疏水性纳米颗粒。
12.如权利要求4或权利要求8所述的方法，其中，所述低偶极矩聚合物选自由聚氨酯、聚(偏二氟乙烯-共-氯三氟乙烯)、聚环氧乙烷和壳聚糖的共混物、聚己内酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、和聚(苯乙烯-共-马来酸酐)组成的组，并且所述高偶极矩聚合物是聚酰亚胺。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一聚合物溶液和所述第二聚合物溶液在静电纺丝期间是稳定的，从而导致分别形成纳米纤维和亚微米纤维。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述亚微米纤维与所述纳米纤维交织以形成用于面部遮罩的梯度过滤的多个层。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述多个层包括亚微米纤维层、包含亚微米纤维和纳米纤维的交织层、以及纳米纤维层。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述多个层具有抗细菌功能。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述亚微米纤维层、所述交织层和所述纳米纤维层能够过滤掉大于95％的具有大于10nm的尺寸的非油基污染物质和油基污染物质二者。
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