一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩.pdf

一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，由在防护口罩换气罩内设置摩擦电纳米发电机组成，所述摩擦电纳米发电机由上摩擦极板和下摩擦极板组成，上摩擦极板为在无纺布的一面生长了ZnO纳米阵列作为得电子的摩擦层，无纺布的另一面涂覆纳米Ag导电油墨作为输出电极，下摩擦极板为在200目的铜网的一面磁控溅射金属Al作为失电子的摩擦层，铜网的另一面作为输出电极，摩擦电纳米发电机的下摩擦极板与防护口罩换气罩的底部换气板固定。本发明的优点是：将无纺布进行表面处理，在保持其物理吸附效率的同时，增加静电吸附效果且透气性不会改变；表面产生的电荷及摩擦极板间的高电压具有杀菌抑菌作用，技术效果显著。

权利要求书
1.  一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，其特征在于：由在防护口罩换气罩内设置摩擦电纳米发电机组成，所述摩擦电纳米发电机由上摩擦极板和下摩擦极板组成，上摩擦极板为在无纺布的一面生长了ZnO纳米阵列作为得电子的摩擦层，无纺布的另一面涂覆纳米Ag导电油墨作为输出电极，无纺布的内径为2-4cm、外径为10-14cm，厚度为1-4mm，涂覆纳米Ag导电油墨的厚度为2-6μm；下摩擦极板为在200目的铜网的一面磁控溅射金属Al作为失电子的摩擦层，铜网的另一面作为输出电极，铜网目数≥200目，尺寸为内径2-4cm、外径10-14cm，磁控溅射金属Al层的厚度为40-80μm，摩擦电纳米发电机的下摩擦极板与防护口罩换气罩的底部换气板固定。

2.  一种如权利要求1所述以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩的制备方法，其特征在于步骤如下：
(一)上摩擦极板的制备
1)将市售厚度为1-4mm的无纺布裁剪成内径2-4cm、外径10-14cm的圆环形状，放入去离子水中完全浸透并超声清洗20-40min，每次清洗前都要更换去离子水，将无纺布反复清洗2-4次后，再用质量百分比浓度≥99.75％的酒精超声处理30-50min，然后在100-120℃，≤1Pa气压的真空干燥箱中干燥2-4h，得到清洗好的无纺布；
2)将醋酸锌粉末加入无水乙醇中得到混合溶液，置于90-100℃恒温水浴中保温30-60min，然后向混合溶液中加入LiOH·H2O，超声震荡1-3h使氢氧化锂完全溶解，抽滤后向混合溶液中再加入无水乙醇将该溶液稀释至原来混合溶液体积的3-5倍，然后搅拌加热到沸腾状态并持续1-10min，此时溶液中出现明显混浊物，冷却至室温后置于冰箱中静置≥24h，得到溶胶，所述醋酸锌粉末、无水乙醇与LiOH·H2O的用量比为3-5g：100-300mL：1-3g；
3)将步骤1)清洗好的无纺布在上述溶胶中进行提拉，以在无纺布表面形成均匀的晶种层，然后将提拉后的无纺布悬空放置在60-80℃的烘箱中干燥处理5-10min，重复上述过程三次，然后将无纺布在烘箱中干燥15-30min，得到涂覆有ZnO晶种层的无纺布；
4)将Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺分别溶解在100-400mL的去离子水中，待Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺完全溶解后，将两种溶液混合并超声10-30min得到混合溶液，然后将经步骤3)处理得到的的无纺布垂直浸入装有混合溶液的开口容器中，用保鲜膜密封容器开口后，将上述装有混合溶液的容器置于≥95℃的恒温水浴中3-5h，在悬挂于容器中的无纺布生长ZnO，生长完成后用去离子水正反面反复冲洗3-6次，然后置于真空干燥箱60-80℃下干燥12-24h，得到生长ZnO纳米阵列的无纺布，所述Zn(NO3)2·6H2O与去离子水的用量比为1-3g：100-400mL，六次甲基四胺与去离子水的用量比为1-4g：100-400mL；
5)将银导电油墨预热至≥40℃，用毛刷均匀的涂覆到上述生长ZnO后的无纺布的另一面，每次涂覆厚度为1-3μm，然后在温度50-80℃下真空干燥≥12h，此涂覆-干燥过程重复4-6次，制得上摩擦极板；
(二)下摩擦极板的制备
1)将铜网裁剪成与上摩擦极板大小一致后，放入去离子水中超声震荡清洗20-60min，更换去离子水重复清洗2-4次，然后用质量百分比浓度≥99.75％的酒精超声震荡30-60min，并于≤1Pa气压的真空干燥箱中干燥2-4h；
2)将上述得到的铜网利用磁控溅射金属Al层，选用铝靶的纯度≥99.99％，磁控溅射的参数为溅射功率30-45w、溅射时间30-50min、工作电流0.089-1A、工作电压320-400V、本底真空度≥4.0×10-4pa、工作真空度≤1.7pa、氩气流量30-50cm3/s，得到溅射金属Al层的铜网作为下摩擦极板，铜网下层与溅射靶紧密接触，对另一表面起到良好的保护作用；
(三)摩擦电纳米发电机的组装及植入口罩
将上摩擦极板的ZnO纳米阵列面与下摩擦极板的Al涂层面相对置入换气罩中，作为下摩擦极板的铜网固定于换气罩的底部换气板上，上摩擦极板置于下摩擦极板并可自由运动，制得以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩。

说明书一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩
技术领域
本发明属于高效过滤技术，特别是一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩。
背景技术
摩擦纳米发电机的制备技术已经日趋成熟，其开路电压和短路电流从最初的几伏特(V)和几纳安(nA)，发展至现在已经达到开路电压上万V，短路电流几mA，甚至到A的水平。其应用领域，也从最初的驱动便携式电子设备、传感器、收集转换环境中的声能、低频震动机械能、潮汐能、风能等拓展到生物相容摩擦纳米发电机的研究及可能的生物医学应用，并显示了广阔的应用前景。
我国作为发展中的大国，化石能源(如煤、石油、天然气)燃烧效率低下，一直是城市发展的诟病，随着我国国力的增强，人民生活水平日渐提高，通用性汽车已经走进了千家万户，但是随之而来的雾霾对人们生命和生活质量的影响越来越大。从一些大、中城市环境监测数据可以看出，严重雾霾天气的时间比率达到了66.6％。这样的天气严重威胁着人们的身体健康，尤其是空气中粒径小于0.3μm的颗粒，一旦吸入肺中更有可能穿透血氧屏障，产生病变。同样，对于常年在粉尘环境中工作的工人更是饱受“矽肺”的困扰。因此，基于身体健康的考虑，越来越多的人选择了戴口罩。传统工艺生产的口罩，其防尘的途径主要依靠直接捕获、惯性沉积、重力沉积和扩散沉积等机制，能够过滤尺寸较大的粉尘颗粒，而对于粒径在0.3-1.0μm尺寸的颗粒，其过滤效率不够理想。所以，人类迫切需要探寻一种新型的过滤机制，并制备过滤性能优良的防护口罩，满足特种工业和民用的需求。
目前，对于静电吸附过滤口罩的研究仅仅局限在防护层中加入单层驻极体材料，然而，由于驻极体本身的静电吸附能力会随温度升高而衰减，且由于驻极体上的电量分布有限，当吸附的带电粒子达到一定的电量，驻极体的吸附效果就大大下降，从而使口罩的除尘效果不够理想。因此，结合当前摩擦电发电机的发展契机，对原口罩过滤材料-无纺布进行表面纳米改性，并加入另一纳米铝改性铜网作为摩擦层极板，设计和开发一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防尘过滤口罩，并提高其耐受性。这种新型口罩的设计思路和制备方法目前国内外未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是针对目前防护口罩过滤效率低、使用寿命短的问题，提供一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，该防护口罩不仅显著提升静电过滤性能，而且对于静电抑菌也有显著效果。
本发明的技术方案：
一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，由在防护口罩换气罩内设置摩擦电纳米发电机组成，所述摩擦电纳米发电机由上摩擦极板和下摩擦极板组成，上摩擦极板为在无纺布的一面生长了ZnO纳米阵列作为得电子的摩擦层，无纺布的另一面涂覆纳米Ag导电油墨作为输出电极，无纺布的内径为2-4cm、外径为10-14cm，厚度为1-4mm，涂覆纳米Ag导电油墨的厚度为2-6μm；下摩擦极板为在200目的铜网的一面磁控溅射金属Al作为失电子的摩擦层，铜网的另一面作为输出电极，铜网目数≥200目，尺寸为内径2-4cm、外径10-14cm，磁控溅射金属Al层的厚度为40-80μm，摩擦电纳米发电机的下摩擦极板与防护口罩换气罩的底部换气板固定。
一种所述以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩的制备方法，步骤如下：
(一)上摩擦极板的制备
1)将市售厚度为1-4mm的无纺布裁剪成内径2-4cm、外径10-14cm的圆环形状，放入去离子水中完全浸透并超声清洗20-40min，每次清洗前都要更换去离子水，将无纺布反复清洗2-4次后，再用质量百分比浓度≥99.75％的酒精超声处理30-50min，然后在100-120℃，≤1Pa气压的真空干燥箱中干燥2-4h，得到清洗好的无纺布；
2)将醋酸锌粉末加入无水乙醇中得到混合溶液，置于90-100℃恒温水浴中保温30-60min，然后向混合溶液中加入LiOH·H2O，超声震荡1-3h使氢氧化锂完全溶解，抽滤后向混合溶液中再加入无水乙醇将该溶液稀释至原来混合溶液体积的3-5倍，然后搅拌加热到沸腾状态并持续1-10min，此时溶液中出现明显混浊物，冷却至室温后置于冰箱中静置≥24h，得到溶胶，所述醋酸锌粉末、无水乙醇与LiOH·H2O的用量比为3-5g：100-300mL：1-3g；
3)将步骤1)清洗好的无纺布在上述溶胶中进行提拉，以在无纺布表面形成均匀的晶种层，然后将提拉后的无纺布悬空放置在60-80℃的烘箱中干燥处理5-10min，重复上述过程三次，然后将无纺布在烘箱中干燥15-30min，得到涂覆有ZnO晶种层的无纺布；
4)将Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺分别溶解在100-400mL的去离子水中，待Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺完全溶解后，将两种溶液混合并超声10-30min得到混合溶液，然后将经步骤3)处理得到的的无纺布垂直浸入装有混合溶液的开口容器中，用保鲜膜密封容器开口后，将上述装有混合溶液的容器置于≥95℃的恒温水浴中3-5h，在悬挂于容器中的无纺布生长ZnO，生长完成后用去离子水正反面反复冲洗3-6次，然后置于真空干燥箱60-80℃下干燥12-24h，得到生长ZnO纳米阵列的无纺布，所述Zn(NO3)2·6H2O与去离子水的用量比为1-3g：100-400mL，六次甲基四胺与去离子水的用量比为1-4g：100-400mL；
5)将银导电油墨预热至≥40℃，用毛刷均匀的涂覆到上述生长ZnO后的无纺布的另一面，每次涂覆厚度为1-3μm，然后在温度50-80℃下真空干燥≥12h，此涂覆-干燥过程重复4-6次，制得上摩擦极板；
(二)下摩擦极板的制备
1)将铜网裁剪成与上摩擦极板大小一致后，放入去离子水中超声震荡清洗20-60min，更换去离子水重复清洗2-4次，然后用质量百分比浓度≥99.75％的酒精超声震荡30-60min，并于≤1Pa气压的真空干燥箱中干燥2-4h；
2)将上述得到的铜网利用磁控溅射金属Al层，选用铝靶的纯度≥99.99％，磁控溅射的参数为溅射功率30-45w、溅射时间30-50min、工作电流0.089-1A、工作电压320-400V、本底真空度≥4.0×10-4pa、工作真空度≤1.7pa、氩气流量30-50cm3/s，得到溅射金属Al层的铜网作为下摩擦极板，铜网下层与溅射靶紧密接触，对另一表面起到良好的保护作用；
(三)摩擦电纳米发电机的组装及植入口罩
将上摩擦极板的ZnO纳米阵列面与下摩擦极板的Al涂层面相对置入换气罩中，作为下摩擦极板的铜网固定于换气罩的底部换气板上，上摩擦极板置于下摩擦极板并可自由运动，制得以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩。
本发明的优点是：
本发明将制造普通的口罩的原材料无纺布进行表面处理，在保持其物理吸附效率的同时，增加静电吸附效果；此外，表面产生的电荷及摩擦极板间的高电压还起到杀菌抑菌的作用；本发明制备的口罩在兼具上述优点的同时，其透气性不会改变，技术效果显著。
附图说明
图1.为以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩的结构示意图。
图2为摩擦电纳米发电机过滤层结构示意图。
图3为发电机过滤层植入口罩中仿真示意图。
图4为摩擦电纳米发电机过滤层原理图。
图5为摩擦电纳米发电机上下摩擦极板的表面处理效果图，图中：a、b为无纺布上生长ZnO；c、b为在铜网上磁控溅射Al。
图中：1.换气罩，2.上摩擦极板，3.下摩擦极板，4.底部换气板。
具体实施方式
以下所说明的具体实例旨在详细解读本发明的客观用途和为了使读者有直观的理解。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例：
一种以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩，如图1-3所示，由在市售防护口罩换气罩1内设置摩擦电纳米发电机组成，所述摩擦电纳米发电机由上摩擦极板2和下摩擦极板3组成，上摩擦极板2为在无纺布的一面生长了ZnO纳米阵列作为得电子的摩擦层，无纺布的另一面涂覆纳米Ag导电油墨作为输出电极，无纺布的内径为3cm、外径为11cm，厚度为2mm，涂覆纳米Ag导电油墨的厚度为5μm；下摩擦极板3为在200目的铜网的一面磁控溅射金属Al作为失电子的摩擦层，铜网的另一面作为输出电极，铜网目数为200目，尺寸为内径3cm、外径11cm，磁控溅射金属Al层的厚度为50μm，摩擦电纳米发电机的下摩擦极板3与防护口罩换气罩1的底部换气板4固定。
上述以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩的制备方法，步骤如下：
(一)上摩擦极板的制备
1)将市售厚度为3mm的无纺布裁剪成内径3cm、外径13cm的圆环形状，放入去离子水中完全浸透并超声清洗40min，每次清洗前都要更换去离子水，将无纺布反复清洗2次后，再用质量百分比浓度为99.75％的酒精超声处理40min，然后在110℃，1Pa气压的真空干燥箱中干燥4h，得到清洗好的无纺布；
2)将6g醋酸锌粉末加入600mL无水乙醇中得到混合溶液，置于94℃恒温水浴中保温60min，然后向混合溶液中加入3gLiOH·H2O，超声震荡3h使氢氧化锂完全溶解，抽滤后向混合溶液中再加入无水乙醇将该溶液稀释至原来混合溶液体积的4倍，然后搅拌加热到沸腾状态并持续1min，此时溶液中出现明显混浊物，冷却至室温后置于冰箱中静置45h，得到溶胶；
3)将步骤1)清洗好的无纺布在上述溶胶中进行提拉，以在无纺布表面形成均匀的晶种层，然后将提拉后的无纺布悬空放置在80℃的烘箱中干燥处理10min，重复上述过程三次，然后将无纺布在烘箱中干燥30min，得到涂覆有ZnO晶种层的无纺布；
4)将3gZn(NO3)2·6H2O和6g六次甲基四胺分别溶解在300mL的去离子水中，待Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺完全溶解后，将两种溶液混合并超声20min得到混合溶液，然后将步骤3)得到的涂覆有ZnO晶种层的无纺布垂直浸入装有混合溶液的烧杯中，用保鲜膜密封烧杯后，置于95℃的恒温水浴中3h，在悬挂于容器中的无纺布生长ZnO，生长完成后用去离子水正反面反复冲洗4次，然后置于真空干燥箱60℃下干燥12h，得到生长ZnO纳米阵列的无纺布；
5)将银导电油墨预热至40℃，用毛刷均匀的涂覆到上述生长ZnO后的无纺布的另一面，每次涂覆厚度为2μm，然后在温度50-80℃下真空干燥≥12h，此涂覆-干燥过程重复5次，制得上摩擦极板；
(二)下摩擦极板的制备
1)将铜网裁剪成与上摩擦极板大小一致后，放入去离子水中超声震荡清洗40min，更换去离子水重复清洗4次，然后用质量百分比浓度99.75％的酒精超声震荡340min以确保完全去除铜网表面的油污和灰尘，然后于0.7Pa气压的真空干燥箱中80℃下干燥4h；
2)将上述得到的铜网利用磁控溅射金属Al层，选用铝靶的纯度99.99％，磁控溅射的参数为溅射功率30w、溅射时间30min、工作电流1A、工作电压320V、本底真空度4.0×10-4pa、工作真空度1.7pa、氩气流量30cm3/s，得到溅射金属Al层的铜网作为下摩擦极板，铜网下层与溅射靶紧密接触，对另一表面起到良好的保护作用；
(三)摩擦电纳米发电机的组装及植入口罩
将上摩擦极板的ZnO纳米阵列面与下摩擦极板的Al涂层面相对置入换气罩中，作为下摩擦极板的铜网固定于换气罩的底部换气板上，上摩擦极板置于下摩擦极板并可自由运动，制得以摩擦电纳米发电机为过滤层的高效防护口罩。
本发明的工作机理：参见图4、图5
目前周围环境中PM2.5的浓度居高不下，口罩作为目前缓解雾霾对人体伤害的工具，其过滤性能一直是人们关注的焦点。但是普通物理过滤机制很难将粒径在0.3μm-1.0μm的小颗粒有效滤除。本发明借助静电吸附的原理，人佩戴口罩的呼吸过程中，气流通过无纺布薄膜会对无纺布产生一定的气压。另一方面，我们下摩擦层采用200目的铜网，由于这两种材料具有不同的弹性模量，在受到来自于口腔吸气、吹气过程中就会接触分离，这样就会在两个材料之间产生相对运动，由于无纺布属于易得电子层，而溅射铝后的铜网具有易失电子的特点，所以就会由于静电摩擦产生电荷吸附在无纺布表面。即使是中性小颗粒，在进入到发电机对摩擦极板中间时，由于摩擦电纳米发电机高电压的特点，中性粒子也会被极化，这样也会被吸附在过滤层表面。同时由于无纺布丝质纤维表面有制备好的ZnO纳米阵列，在增大对摩擦层面积的同时，对于无纺布的物理过滤性能也是一种显著的提升。同时经实验发现生长了ZnO的无纺布具有良好的疏水性，这又能进一步保持柔性摩擦纳米发电机过滤层的静电吸附性能。