基于蚕丝纳米纤维的空气过滤设备制造技术

本发明专利技术提供了一种空气过滤设备，包括：任选的基底层，自支撑蚕丝纳米纤维层，以及任选的覆盖层。在本发明专利技术特别优选的实施方式中，所述空气过滤设备为口罩，并具有轻薄舒适以及过滤效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及蚕茧丝及茧丝废料的利用，具体而言，涉及基于蚕丝纳米纤维的空气过滤设备。
技术介绍
近年来，空气污染尤其是颗粒物空气污染(雾霾)已经成为一个重要问题。雾霾天气中分散的颗粒物大小一般在几纳米到几十微米。其中直径小于2.5微米的颗粒物PM2.5由于不能被人体直接拦截可以进入人体呼吸系统，而比PM2.5更细小的颗粒物，能进入肺泡，甚至穿过细胞膜进入其他器官。长期暴露在高浓度PM2.5或更细小颗粒物环境下将引起呼吸道甚至心脏等疾病发病率增加。根据中国环境空气质量标准GB3095-2012，24小时平均的PM2.5颗粒物二级浓度限值为75微克/立方米。当环境中PM2.5浓度超过该限值时，人们应当佩戴口罩及其他空气过滤设备以避免颗粒物的危害。市场上应用比较广泛的空气过滤材料为纤维过滤材料，纤维的直径在微米级范围，且纤维多为化学合成聚合物纤维和棉纤维。但是由于其微米级纤维直径，现有的空气过滤材料存在一些缺陷，例如(i)高效率的同时往往具有很大的空气阻力及厚重的结构；(ii)对比PM2.5更细小的颗粒物的过滤效率较低；(iii)缺乏多功能性(如抗菌性等)等。因此，发展具有人类友好、轻薄、透气、高效、多功能的空气过滤材料是新一代空气过滤设备的趋势。相比于传统的微米纤维，纳米纤维具有比表面积大，吸附能力强等特点；另外，纳米纤维由于其纳米尺度，存在“滑移效应”，对气流的阻力较小。现在研究中的用于空气过滤材料的纳米纤维主要包括碳纳米管和一些利用静电纺丝技术制备的化学合成聚合物纳米纤维，但是这些纳米纤维存在着毒理性不确定、制备过程对环境造成污染或对人体有害的问题。而蚕丝是一种具有优良特性的天然蛋白质，由丝胶和丝素组成，其中丝素是主要成分，占蚕丝蛋白质重量的70－80％。近些年，对丝素蛋白在膜领域的研究也逐渐增多。如现有技术公开的一种丝蛋白纳米纤维膜，以蚕丝为主要原料，经过一系列工序配置成纺丝液，经静电纺丝制备成丝素蛋白基纳米纤维膜，最后经过醇溶液浸泡获得成品，膜结构稳定可控、生物相容性好，可用作医用生物材料，但是所获得的膜强度低，支撑性能差，不能直接用于空气过滤。如现有技术公开了一种丝蛋白纳米纤维空气防护产品，以蚕丝为原料，通过静电纺丝技术，在纺织面料上沉积丝蛋白纤维膜，对污染的空气具有防护功能，但是丝蛋白纳米纤维层不能自支撑，还需要复合在其他的纺织面料上，使得过滤材料变重，佩戴的舒适性降低。又如现有技术公开了一种纳米过滤膜，通过在丝素蛋白液中加入碳纳米球或者碳纳米管，增加膜的强度。但是碳纳米管毒理性不确定，长期使用会导致健康问题。而通常认为，蚕丝纳米纤维的强度较低，难以单独作为过滤材料使用，且单独的纳米纤维材料如果厚度太大，作为空气过滤材料，透气性欠佳。因此，需要专利技术一种基于丝素蛋白的空气过滤设备，其能够自支撑，重量轻，透气性好，佩戴舒适，对污染的空气提供高效的防护。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种空气过滤设备，本专利技术的目的之二是提供一种空气过滤设备的制备方法。为了达到上述目的之一，本专利技术采用的技术方案如下，一种空气过滤设备，包括：任选的基底层，自支撑蚕丝纳米纤维层，以及任选的覆盖层。此处所述的覆盖层是指覆盖在自支撑蚕丝纳米纤维层之上的结构，可以由本领域已知的各种材料制成，例如棉布、纱布、各种合成纤维布料、无机非金属材料或者金属网格、无纺布或塑料，还可以是蚕丝制品。纳米蚕丝纤维纳米级的直径使得其具有较大的比表面积，更高效的对颗粒物的捕获，使得其独立支撑的状态下，或者与其他透气的材料，如纺织面料、纱窗或其他过滤材料结合时，可获得对PM2.5或者更细小颗粒物，例如PM0.3，很高的过效率，同时具有很低的空气阻力，另外其对颗粒物的过滤效率随着环境相对湿度的增加而增大，而且在高湿度环境下其能够保持结构的完整性，使得其具有在较高湿度环境下应用的优势。并且功能性纳米材料的引入可以向蚕丝纳米纤维空气过滤设备中引入多功能性。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重50g/m2以下，使得蚕丝纳米纤维层比较轻薄，佩戴舒适。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重10g/m2以下。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重2g/m2以下。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重为0.1‐1.5g/m2。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重为1.7g/m2以上。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重为3.4g/m2以上。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重为5.4g/m2以上。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层为多层结构复合所得，其中每层结构的纤维直径或重量不同，多层结构为梯度结构，外层结构的纤维直径比内层结构的纤维直径大，所述多层结构至少为两层，每层基重为0.1‐20g/m2。在自支撑蚕丝纳米纤维层中分级设置，使得自支撑蚕丝纳米纤维层对空气的过滤效果更好。作为优选，还包括一个袋装结构，袋装结构容纳所述空气过滤设备，空气过滤设备能够替换。作为优选，所述基底层和/或覆盖层的基重为20‐60g/m2，纤维直径为微米级。作为优选，所述空气过滤设备的压降小于120Pa。作为优选，所述空气过滤设备的压降小于100Pa。作为优选，所述空气过滤设备的质量因子QF为0.024以上，其中QF＝-ln(1-E)/Δp(E为过滤效率，Δp为过滤阻力)。作为优选，所述空气过滤设备的质量因子QF为0.03以上。作为优选，所述空气过滤设备的质量因子QF为0.039以上。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的纤维直径在100-800nm范围内。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的纤维直径在120‐780nm范围内。作为优选，所述基底层以及覆盖层为一体的袋状，自支撑蚕丝纳米纤维层可以替换。作为优选，自支撑蚕丝纳米纤维层通过在线复合的形式结合在所述基底层上。作为优选，所述空气过滤设备的过滤效率为78.5％以上，更优选为98.8％以上。作为优选，所述自支撑蚕丝纳米纤维层或者基底层或者覆盖层包含功能性物质，例如抗菌剂、除甲醛材料、防辐射材料、抗紫外线材料、护肤材料、变色材料、美容材料。作为优选，所述空气过滤设备经过静电处理。作为优选，所述空气过滤设备为口罩、空调、民用空气净化器或工业用空气过滤器，所述基底层或覆盖层为蚕丝制品。通过实施上述技术方案，本专利技术提供了一种基于蚕丝纳米纤维的轻薄、透气、高效、多功能的空气过滤设备。为了达到另一个目的，本专利技术采用的技术方案如下，一种空气过滤设备的制备方法，包括如下步骤，(1)利用蚕茧丝或茧丝废料获得丝素蛋白纺丝液，可以是水溶液或有机溶液；(2)向纺丝液中加入功能性物质，引入多功能性；(3)通过静电纺丝技术将蚕丝纳米纤维与常规纺织或无纺面料复合制备微纳米多级纤维膜或者自支撑蚕丝纳米纤维膜；(4)可以根据需要向所制得的蚕丝纳米纤维上负载功能性物质，引入多功能性。在制备丝素蛋白纺丝液时，可以将蚕茧丝或茧丝废料通过碱溶液高温煮沸脱除丝胶得到丝素蛋白纤维，然后通过LiBr水溶液、NaSCN水溶液等一元盐溶液体系或者CaCl2/C2H5OH/H2O、CaCl2/CH3OH/H2O、Ca(NO3)2/CH3OH/H2O、LiBr/C2H5OH/H2O等三元盐溶液体系在适当高温(60～80本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气过滤设备，其特征在于，包括：任选的基底层，自支撑蚕丝纳米纤维层，以及任选的覆盖层。

【技术特征摘要】
2015.08.11 CN 20151049109601.一种空气过滤设备，其特征在于，包括：任选的基底层，自支撑蚕丝纳米纤维层，以及任选的覆盖层。2.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述空气过滤设备包括自支撑蚕丝纳米纤维层，不包括基底层和/或覆盖层。3.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述空气过滤设备包括基底层，自支撑蚕丝纳米纤维层，以及覆盖层。4.权利要求1‐3之任一项所述的空气过滤设备，其特征在于，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重50g/m2以下，优选10g/m2以下，再优选2g/m2以下，更优选为0.1‐1.5g/m2。5.权利要求1‐3之任一项所述的空气过滤设备，其特征在于，所述自支撑蚕丝纳米纤维层的基重为1.7g/m2以上，优选3.4g/m2以上，更优选5.4g/m2以上。6.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述自支撑蚕丝纳米纤维层为多层结构复合所得，其中每层结构的纤维直径或重量不同。7.权利要求6所述的空气过滤设备，其特征在于，多层结构为梯度结构，外层结构的纤维直径比内层结构的纤维直径大。8.权利要求6所述的空气过滤设备，其特征在于，多层结构至少为两层，每一层的基重为0.1‐20g/m2。9.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，还包括一个袋装结构，袋装结构容纳所述空气过滤设备，空气过滤设备能够替换。10.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述基底层和/或覆盖层的基重为20‐60g/m2，优选纤维直径为微米级。11.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述空气过滤设备的压降小于120Pa，优选小于100Pa。12.权利要求1所述的空气过滤设备，其特征在于，所述空气过滤设备的质量因子QF为0.024以上，其中QF＝-ln(1-E)/Δp(E为过滤效率，Δp为过滤阻力)，优选为0.03以上，更优选0.039以上。13.权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莹莹，王春雅，郑泉水，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11