一种透明纳米纤维膜及其制备和在透明口罩上的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种透明纳米纤维膜及其制备和在透明口罩上的应用，制备方法为：采用静电纺丝工艺和特殊的接收基材将高分子聚合物制成透明纳米纤维膜；特殊的接收基材是指整体呈平面网状结构的绝缘基材，且构成平面网状结构的基本单元I为由一正六边形支架和三个一字形支架连接而成的平面状结构，三个一字形支架的一端在该正六边形支架的中心处汇合，另一端分别与该正六边形支架的三个不相邻的顶点连接；特殊的接收基材包覆在接地的滚筒的周面上；最终制得的透明纳米纤维膜的平均厚度为1～20μm，主体部分的平均厚度为0.2～4μm；主体部分的纤维呈一定的取向排列，且取向度大于80％；应用为：用于制作透明口罩。本发明专利技术的方法简单，制得的纤维膜的透明度高，孔隙率高。孔隙率高。孔隙率高。

【技术实现步骤摘要】
一种透明纳米纤维膜及其制备和在透明口罩上的应用


[0001]本专利技术属于口罩
，涉及一种透明纳米纤维膜及其制备和在透明口罩上的应用。

技术介绍

[0002]柔性、透明的薄膜或纤维薄膜或衬底在智能穿戴、电子皮肤、空气过滤、生物医用和个人防护等领域引起了广泛的关注。传统的透明薄膜或基材，如玻璃和聚酯(PET)、聚乙烯(PE)塑料等，不能完全满足新兴应用领域的需求，这些新兴的领域要求具有优异吸附性、透气性(大比表面积、高孔隙率)和柔韧性的透明材料。例如，智能可穿戴或电子皮肤越来越普及，现有的透明膜材料不能同时表现出高透光率和良好的透气性；空气污染对人体健康造成严重危害，现有滤材过滤性能高，但透光性能差；特别是在个人防护领域，近年来由于新冠肺炎疫情的爆发与蔓延，全世界各国人民都在遭受着疫情带来的苦难，纤维膜材料制备的口罩作为最简单有效和普遍使用的个人防护工具，在抗击疫情中发挥了不可替代的作用，因为许多传染疾病都是通过空气中的污染颗粒作为载体传播的，口罩可以有效拦截空气中的颗粒。然而现有纤维膜材料口罩不透明，给人们日常生活带来不便(影响手机刷脸、车站人脸识别系统)，也影响医患之间的交流沟通。现有的透明口罩都是由实心的透明塑料板(PE、PP、PC等)制备的，透气性差、防护效果差。
[0003]近年来，新型透明材料备受关注，纤维素或甲壳素纳米纤维制备的透明柔性纳米纸得到了发展。所得纳米纸具有较高的透光率和良好的机械性能，有望取代传统的塑料薄膜。然而，纳米纸的制备过程涉及到复杂的化学处理，材料的孔隙率低或无孔隙，透气性差。木材由于其优良的性能而被广泛应用多年，透明木头材料也有报道。经过化学处理后，通过机械压力或树脂填充所制备的透明膜具有较高的透明度和其他优异的性能，优于传统玻璃。然而，透明木头薄膜材料是实心的，失去了木材本身结构优势，缺乏相互连通的孔道，制备过程需要复杂的化学过程，消耗能量和时间。因此，用低成本、简单的方法制备具有优异吸附性、透气性(大比表面积、高孔隙率)和柔韧性的透明膜材料是一个巨大的挑战，也是迫切需要的。
[0004]静电纺丝技术允许从不同的材料(聚合物、碳、陶瓷等)轻松地制备出连续的微米或纳米纤维，这已被证实是制造微或纳米纤维的有效方法。由此制备的静电纺纤维膜具有小孔、高孔隙率、大比表面积、优良的柔韧性和强健的机械性能。然而，由于微米纤维和纳米纤维严重的光反射和散射，使得静电纺纤维膜的透明化极为困难。对静电纺透明纤维膜的制备研究已有很多报道，可以分为两类：一类是将聚合物填充到纤维膜中，这样可以生成透明的纳米复合材料；例如，将双组分酚醛环氧树脂加入静电纺尼龙
‑
4,6膜；尼龙
‑
6纳米纤维膜填充醋酸纤维素；聚丙烯腈(PAN)/聚氨酯(PU)复合纳米纤维膜加热熔融PU以获得透明性；这种实现透明纤维膜的方法失去了纤维结构和孔隙，而微米或纳米纤维仅起增强作用；另一类是减小静电纺纤维膜的厚度；纤维膜越薄，透光率越高；例如，结合静电纺丝/网状技术，制造出具有高性能的超薄纳米纤维或纳米蛛网膜空气过滤器；然而，其缺点是机械性能
差，工艺条件苛刻，这意味着纳米蛛网膜厚度在30nm左右，太薄，不能独立使用，而且制备耗时较长。总之，现有的制备透明静电纺纤维膜的方法比较复杂，失去了纤维膜的优点。
[0005]因此，开发透光率高、高孔隙率和自支撑的透明静电纺纤维膜仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种透明纳米纤维膜及其制备和在透明口罩上的应用。本专利技术首次设计制备出具有高光通量结构的透明纳米纤维膜材料，并在此基础上制备成透明纤维膜口罩，所制备的一系列透明纤维膜具有优异的透光率(最高可达96％)、高孔隙率(大于等于80％)，所制备的透明口罩具有优异的透光率(大于等于80％)和PM
0.3
过滤性能(过滤效率大于90％、压阻小于100Pa)。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：
[0008]一种透明纳米纤维膜的制备方法，采用静电纺丝工艺和特殊的接收基材将高分子聚合物制成透明纳米纤维膜；
[0009]特殊的接收基材是指整体呈平面网状结构的绝缘基材(材质一般为聚酰胺和聚酯材料)，且构成平面网状结构的基本单元I为由一正六边形支架和三个一字形支架连接而成的平面状结构，三个一字形支架的一端在该正六边形支架的中心处汇合，另一端分别与该正六边形支架的三个顶点连接，所述三个顶点为该正六边形支架上互不相邻的顶点；
[0010]特殊的接收基材包覆在滚筒的周面上(可以完全包覆，也可以仅部分包覆，特殊的接收基材可通过胶接或其他方式与滚筒固定连接)，滚筒接地，这样在针尖和滚筒之间才能形成电场，滚筒带着特殊的接收基材旋转能够将纤维均匀地沉积在基材上。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]如上所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，该正六边形的边长为1.0～2.5mm(优选1.50mm)；正六边形支架和一字形支架的厚度均为100～200μm(优选150μm，若支架的横截面为圆形，该厚度则为圆形的直径，若支架的横截面为正方形，该厚度则为正方形的边长)。
[0013]如上所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，高分子聚合物为聚氨酯(PU)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、醋酸纤维素(CA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚环氧乙烷(PEO)、壳聚糖和甲壳素中的一种以上。
[0014]如上所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，静电纺丝的参数为：纺丝溶液的浓度为8～11wt％，灌注速度为0.3～1.0ml/h，纺丝电压为10～25kV，滚筒转速为40～60rpm，接收距离为10～20cm，温度为25
±
2℃，相对湿度为35～45％。
[0015]本专利技术还提供采用如上所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法制得的透明纳米纤维膜，透明纳米纤维膜整体呈平面结构，且构成平面结构的基本单元II是纳米纤维以特殊的排列方式形成的正六边形结构，所述特殊的排列方式是指：基本单元II中的纤维分为三部分，在该正六边形结构边缘处的纤维记为第一部分，在该正六边形的中心与向正六边形的三个互不相邻的顶点的三条连线上的纤维记为第二部分，在其余位置的纤维记为第三部分；
[0016]透明纳米纤维膜的平均厚度为1～20μm，第三部分的纤维膜的平均厚度为0.2～4μm；第三部分的纤维呈一定的取向排列，且取向度大于80％；
[0017]平均厚度的测试方法为：利用CHY
‑
C2测厚仪对纤维膜进行厚度测试，将样品裁剪为10
×
10cm，加压压强为0.5kPa，在样品表面均匀选取10个点进行厚度测试，最后求得平均厚度；
[0018]取向度的测试方法为：用光学显微镜测定双折射来计算；
[0019]第三部分的纤维的投影面积为基本单元II的投影面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透明纳米纤维膜的制备方法，其特征是：采用静电纺丝工艺和特殊的接收基材将高分子聚合物制成透明纳米纤维膜；特殊的接收基材是指整体呈平面网状结构的绝缘基材，且构成平面网状结构的基本单元I为由一正六边形支架和三个一字形支架连接而成的平面状结构，三个一字形支架的一端在该正六边形支架的中心处汇合，另一端分别与该正六边形支架的三个顶点连接，所述三个顶点为该正六边形支架上互不相邻的顶点；特殊的接收基材包覆在滚筒的周面上，滚筒接地。2.根据权利要求1所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，该正六边形的边长为1.0～2.5mm；正六边形支架和一字形支架的厚度均为100～200μm。3.根据权利要求1所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，高分子聚合物为聚氨酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚环氧乙烷、壳聚糖和甲壳素中的一种以上。4.根据权利要求1所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，静电纺丝的参数为：纺丝溶液的浓度为8～11wt％，灌注速度为0.3～1.0ml/h，纺丝电压为10～25kV，滚筒转速为40～60rpm，接收距离为10～20cm，温度为25
±
2℃，相对湿度为35～45％。5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种透明纳米纤维膜的制备方法制得的透明纳米纤维膜，其特征是：透明纳米纤维膜整体呈平面结构，且构成平面结构的基本单元II是纳米纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：王先锋，王超，丁彬，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：