带聚合物超薄膜复合膜的能防pm2.5的五防富氧口罩的制作方法
带聚合物超薄膜复合膜的能防pm2.5的五防富氧口罩的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，属于医疗卫生【技术领域】。所述的口罩体中央设置有空腔，聚合物超薄膜复合膜镶嵌在所述的空腔中；所述的空腔至少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜出入的插入口；所述的聚合物超薄膜复合膜由均质无孔聚合物超薄膜层和多孔超薄膜载体层相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层与所述的口罩体的外侧面相邻，所述的多孔超薄膜载体层与所述的口罩体的内侧面相邻。本实用新型的口罩设计合理，结构简捷，采用了一种高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜层，除了具有能防PM2.5的五防功能之外，还具有富氧功能，使佩载者舒适且有益健康。
【专利说明】带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩
【技术领域】
[0001]本实用新型属于医疗卫生【技术领域】，具体涉及一种带高氧气渗透率的聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘，且能提供富氧的新型的防PM2.5
口罩、保健口罩、医用口罩、或氧疗口罩。
【背景技术】
[0002]现有技术中，随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对能源的需求随之增加，尤其在大、中城市，各类车辆和私家车大幅增加。由于对这些因素形成的空气污染缺乏足够的认识和重视，近年来，在人口密度大的地区，尤其是大、中城市产生雾霾天气，严重威胁人民的身体健康和生命。雾霾天气产生的机制很复杂，其化学成分也非常复杂。它含有大量的含氮有机颗粒物，它的成分非常复杂，它不是一种物质，而是好几十种物质，这些物质可能引发癌症及其它严重疾病。更重要的是，病毒、病菌都能在这种很小的颗粒物上存活和繁殖，附着在大气的颗粒物上，在空气中产生大量的游离着的病毒和病菌分子，就会传播疾病。PM2.5是空气污染物中对人危害最大的细颗粒物，此细颗粒物的直径等于或者小于2.5微米，PM2.5在医学上叫可入肺颗粒物，一般来说我们外科的口罩大概能够有PM4的微粒可以预防，到PM2.5就不行了，到PM2.5现在一般是要N95的那种口罩，但那种口罩很闷，不能长期用。
[0003]现有技术中，因应不同的用途和需求，口罩有不同的种类与分级，简单说明如下。
[0004]一般口罩:这种口罩没有经过额外的处理，其纤维结构的孔隙相当大(约I微米)，所以无法有效阻止经空气传染的病原。此外，一般的口罩对於比较容易进入人类呼吸系统的灰尘，并没有防护的效果，但对於颗粒大的灰尘，还是有一些阻绝的作用。这种口罩可以作为保暖、避免灰头土脸与鼻孔肮髒等用途，但是不可作为防止病菌侵入之用。
[0005]活性碳口罩:活性碳具有多孔隙的结构。其过滤层的主要功用在于吸附有机气体、具恶臭的分子及毒性粉尘，并非用于过滤粉尘，不具杀菌的功能。但活性碳的使用有一项限制，一旦所有的细孔都被填满，便失去效用，此时必须置换口罩，但何时到达饱和点并不太容易判断。活性碳会将病毒粒子吸引到口罩表面，但是却无法「杀死病毒」，因此，手、眼、鼻或嘴意外接触到使用过的活性碳口罩表面，依然有可能导致疾病的传染。
[0006]医疗用口罩:医用口罩主要是为了避免医生的飞沫影响病人，功能设计并不是要免于吸入粒状有害物，其效果虽然比棉纱口罩及布质印花口罩好，但是顶多也只有70%的效果，拿这样的口罩来阻绝病菌，效果可能非常有限。标准的外科医疗用口罩分叁层，外层有阻尘阻水作用，可防止飞沫进入口罩里面，中层有过滤作用，可挡住90%以上的5微米颗粒，近口鼻的一层作为吸湿之用。
[0007]带电滤材口罩:根据这种口罩的主要生产厂商美国3M公司所提供的资料显示，带电滤材的功用主要在于便利呼吸，而不在于过滤。这种口罩实际有过滤作用的是位于带电滤材下的一层碳。其过滤机制可能与活性碳口罩相同，这表示它与活性碳口罩有相同的使用限制。其中还有一层所谓的「附著电阻过滤材质」，其作用在于延长口罩的寿命及增加舒适度。
[0008]美国职业安全卫生研究所(NationalInstitute for Occupational Safety andHealth)的认證，将防护性口罩分为叁个系列，除N系列外，尚有P及R系列，各含95、99及100叁型，分别表示在特殊环境下，可阻绝95、99及99.7%的病菌。
[0009]SARS流行期间大家争相抢购的N95型口罩，是美国指定防範肺结核病菌的防疫口罩，可以有效过滤结核桿菌(直径约为0.3-0.6微米，长1-4微米)，防止经由空气的感染。其检验的标准为，用0.3微米氯化钠微粒进行测试，阻隔效率须达95%以上，并经佩戴者脸庞紧密度测试，确保在密贴脸部边缘状况下，空气能透过口罩进出。
[0010]现有技术中，一般口罩的孔洞最小约为0.3微米，而SARS病毒的大小约为0.08-0.14微米，所以一般的观念都是认为口罩并不能有效地过滤SARS病毒。世界卫生组织(WHO)认定SARS是飞沫传染，所谓的飞沫传染就说明了病毒并不是个别地散布在空气中，主要是藏在口鼻飞沫(其大小约为病毒的上百倍大，超过0.3微米)内，以医疗用的口罩来说，它就有65%以上的飞沫阻绝效率，因此口罩对于「飞沫传染」的疾病预防，还是有一定的效用。
[0011 ] 新近诞生的纳米光触媒口罩具有相当的杀菌功能，其原理是利用光催化反应来分解有害物质与杀菌。光催化反应是藉由一种半导体光电陶瓷作为触媒，以达到将吸附物质氧化或还原的目的。许多半导体光电陶瓷皆可作为光触媒，如二氧化钛(Ti02)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等。目前使用最多的光触媒为二氧化钛，它除了具有相当强的氧化与还原能力外，还具有化学安定性、对环境无害、价格低廉等优点。我国吉林省惟升科贸发展有限公司新开发的纳米防护系列口罩产品，集中了纳米材料技术，高效率过滤、杀菌材料技术等，以突出的防护性能，已获得以下专利:1、折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252129)。2、防飞沫抗菌口罩。(专利号:03252128)。3、平板折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252131 )。
4、罩杯形纳米防护口罩。(专利号:03252130)。
[0012]中国人口密度大的各大地区，尤其是大、中城市，不仅空气污染极为严重，并且这种污染也导致空气中氧的浓度从大自然的21%降到19%以下，长期处于贫氧状态。对于汽车出行高峰期的某些地区，由于空气中的氧大量用于汽车燃油的燃烧，空气中氧的浓度甚至低于18%，处于极度贫氧状态。因此真正吸入到人体体内的氧气量大大降低。生活在这种贫氧或者极度贫氧环境下的人们，其健康将受到严重威胁，其身体将处于亚健康状态，并且很容易患上或者诱发多种慢性疾病，缺氧将是造成许多疾病的主因之一，比如头痛、心脑血管疾病，心绞痛，等等。众所周知，氧气是人类生存不可或缺的气体。如果能有一种技术能制造一种具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘和富氧功能的口罩给人们佩戴，非常方便地给人们提供清新健康的富氧，它将大大改善人们大脑供氧的状况，并因此缓解或者根治由缺氧而引起的各种不良身体症状，可大大缓解脑疲劳，醒脑提神，保持旺盛精力；可消除因体内血液中氧浓度低而导致的疲劳，倦怠和头晕、头疼等不适症状。在清新健康富氧的环境下，人们的体力机能，大脑智力，血液氧浓度等能达到身体最佳状态。这种状态对于老年人、孕妇、儿童，以及学习强度和心理压力大的学生，和工作强度和心理压力大的各类群体，都将具有特别显著的保健和医疗作用。
[0013]尽管如上所述的现有技术通过过滤和吸附乃至光催化，纳米技术等提供了“五防”(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)中的某项或某几项功能的口罩。但目前尚无任何技术和产品能够在满足五防(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)功能的同时，提供富氧功能的口罩。而且，绝大多数口罩都不能防PM2.5大小的可入肺颗粒物，有少数能防PM2.5的可入肺颗粒物的口罩，如N95型口罩，但这些种类的口罩佩载时让人感觉很闷，不能长期使用。
实用新型内容
[0014]针对现有技术的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，它能够在满足五防，即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘功能的同时，提供富氧功能，具有特别显著的防PM2.5、保健、医用、和氧疗功能。
[0015]本实用新型的技术方案是:一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩和现有技术的普通口罩一样，含有口罩体和口罩带，口罩体是平面形状的或是向外凸出的凸形曲面的；口罩带与口罩体之间是连接成半环的，或直线口罩带一端头与口罩体连接的，或是直线口罩带穿套在口罩体双侧的；口罩带是松紧式的或是非松紧式的。其特别之处在于:所述的口罩体中央设置有空腔，能实现五防功能且能产生富氧的聚合物超薄膜复合膜镶嵌在所述的空腔中；所述的空腔少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜出入的插入口 ；所述的聚合物超薄膜复合膜由均质无孔聚合物超薄膜层和多孔超薄膜载体层相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层与所述的口罩体的外侧面相邻，所述的多孔超薄膜载体层与所述的口罩体的内侧面相邻。
[0016]所述的插入口设置在所述口罩体的任一侧边上；或设置在所述口罩体的所述外侧面或所述内侧面上；所述的插入口设置或不设置尼龙搭扣类开合结构。
[0017]所述的聚合物超薄膜复合膜的面积占所述的口罩体面积的30%至100%。所述的最佳的聚合物超薄膜复合膜的面积占所述的口罩体面积的50%至90%。
[0018]所述的均质无孔聚合物超薄膜层是一种由高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜；所述的均质无孔聚合物超薄膜层的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6。
[0019]所述的均质无孔聚合物超薄膜层的厚度为0.001-5微米。所述的均质无孔聚合物超薄膜层的最佳厚度为0.05-1微米。
[0020]所述的多孔超薄膜载体层是以下三种结构之一:[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层；[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层；[3]由至少两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层。
[0021]所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层的厚度和孔隙率分别为0.03-0.26毫米和20%-90% ;所述的多孔超薄膜载体层从接触所述均质无孔聚合物薄膜层的表面到外表面的平均孔径从0.001-0.01微米扩大到1-10微米。
[0022]所述的[I]具有不对称孔径分布的最佳的多孔超薄膜载体层的厚度和孔隙率分别为0.10-0.15毫米和50%-80% ;所述多孔超薄膜载体层从接触所述均质无孔聚合物薄膜层的表面到外表面的最佳平均孔径从0.01-0.05微米扩大到1-5微米。
[0023]所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.03-0.26毫米、20%-90%和0.01-2微米；最佳厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.10-0.15毫米、40%-80% 和 0.02-0.06 微米。
[0024]所述的[3]由两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层的接触所述均质无孔聚合物薄膜层的第一层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.01-0.05毫米、40%-80%和0.01-0.06微米，所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层的第二层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.1-0.15毫米、40%-80%和0.1-10微米。
[0025]本实用新型的口罩设计合理，结构简捷，采用了一种高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜层，除了具有能防PM2.5的五防功能之外，还具有富氧功能，使佩载者舒适且有益健康。特殊情况下，给有病的人佩载本实用新型的富氧功能的口罩，使其吸入清新健康的富氧后，能迅速缓解心绞痛、脑血栓、中风等情况，为去医院治疗前赢得时间，并使其后续治疗变得容易和有效得多。
[0026]本实用新型的五防富氧口罩带来的有益效果是:
[0027]1、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，不仅表现在其高效防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘的性能特征上，而且还具有给人们非常方便地提供清新健康的富氧的特殊性能特征，因此可广泛地作为防PM2.5、保健、医用、和氧疗口罩应用于各种情况下。
[0028]2、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，随着使用的时间，所述聚合物超薄膜复合膜3的性能，无论是透气性还是过滤效率，均保特不变。如果聚合物超薄膜复合膜3没有机械损坏或者没有其它物理破坏(即完好地保护复合膜)，其使用寿命非常长。
[0029]3、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，在使用所述复合膜口罩时，聚合物超薄膜复合膜3是非一次性使用的，它可以多次重复使用，从而使得使用本实用新型的口罩非常经济实用，能减少所述聚合物超薄膜复合膜3材料的浪费和因扔弃所述聚合物超薄膜复合膜3而导致的环境污染。
[0030]4、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，尤其是用于医用的防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘和富氧的复合膜口罩时，由于所述聚合物超薄膜复合膜3具有极强的化学和物理稳定性，所以所述聚合物超薄膜复合膜3可通过各种物理或者化学以及物理和化学并用的方式进行消毒(即杀菌、杀病毒)处理而不影响其性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]附图1是本实用新型五防富氧口罩一实施例结构示意图；
[0032]附图2是本实用新型五防富氧口罩另一实施例结构示意图；
[0033]附图3是附图1中A-A剖视结构示意图；
[0034]附图4是附图3中虚线圆A部分放大结构示意图；
[0035]附图5是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之一；
[0036]附图6是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之二 ；
[0037]附图7是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之三；
[0038]附图8是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之四；
[0039]附图9是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之五；[0040]附图10是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之六；
[0041]附图11是不同透气率的膜与每次呼吸时吸入的氧气量的关系示意图；
[0042]附图12是聚合物超薄膜复合膜的氧气和氮气的透气渗透率试验示意图；
[0043]附图13是聚合物超薄膜复合膜的富氧功能测试示意图；
[0044]附图14是聚合物超薄膜复合膜的病毒阻碍性能测试示意图；
[0045]附图中标记分述如下:1 一口罩体；2 —口罩带；3—聚合物超薄膜复合膜；4一空腔；5—均质无孔聚合物超薄膜层；6—多孔超薄膜载体层；7—外侧面；8 —内侧面；9一插入口 ；10—尼龙搭扣类开合结构；60—氧气瓶；61—氧气管道；62—氮气瓶；63—氮气管道；64—三通阀；65—压力调节器；66—原料气管道；67—测试箱；68—测试箱进气口 ；69—托网；70—测试箱出气口 ；71—原料气出口 ；72—气体压力表；73—气体阀；74—透过气体的气体管道；75—气体流速计量器；76—大气连通口 ；80—空气瓶；81—空气压力调节器；82—空气管道；83—测试箱；84—测试箱空气进口 ；85—托网；86—渗透气出口 ；87—气体压力表；88—尾气压力调节器；89—尾气气体流速控制器；90—尾气出口 ；91 一透过气体的出口 ；92—透过气体的气体管道；93—气体流速计量器；94一气体测氧仪；95—大气连通口 ；80a —空气瓶；81a—空气管道；82a—空气流速控制器；83a—含试验病毒的缓冲溶液；84a—缓冲溶液的容器；85a—气雾发生器；86a—含试验病毒的空气导管；87a—复合膜病毒阻碍性能的测试箱；88a—含有试验病毒的空气进口 ；89a—含有试验病毒的尾气出口导管；90a—气体压力表；91a—空气压力调节器；92a—含有试验病毒的尾气出口 ；93a—托网；94a—渗透气出口 ；95a—渗透气导管；96a—病毒收集液；97a—病毒收集液的容器；98a—气体流速计量器；99a—渗透气的出口 ；IOOa—二级生物安全柜；100—测试样品。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】及有关技术问题作进一步详细的描述。附图1是本实用新型五防富氧口罩一实施例结构不意图。本实施例中口罩带2和口罩体I之间是连接成半环形的，口罩体I的中央设置有空腔4，聚合物超薄膜复合膜3嵌合在空腔4内。需要说明的是，图示中为了分清层次，将空腔4边沿和聚合物超薄膜复合膜3边沿留有较大空隙，其实它们应该是相互邻接得紧密的(以下同)。空腔4上沿开设有插入口9，插入口 9设置在口罩体I的上侧，它也可以设置在口罩体I的其它各侧。在插入口 9处可以设置或不设置尼龙搭扣类开合结构。口罩体I的材料可以是纱布或布或无纺布或其它制作口罩的常用材料，其连接方式可以是线缝制连接，或粘结连接，或现有技术中的其它常用连接方式(以下同)。附图2是本实用新型五防富氧口罩另一实施例结构示意图。本实施例中口罩体I是向外凸出的凸形曲面的，口罩带2是直条形的，其一端与口罩体I相连接，在本例中，空腔4的上方和左方开有插入口 9，插入口 9位于口罩体I的外侧面7上，插入口 9处设置有尼龙搭扣类开合结构10。附图3是附图1中A-A剖视结构示意，附图4是附图3中虚线圆A放大示意。图3、4中显示，聚合物超薄膜复合膜3是由均质无孔聚合物超薄膜层5和多孔超薄膜载体层6紧密结合而成。所述多孔超薄膜载体层6可以是一种超薄膜载体原料物质组成的一层，也可以是两种超薄膜载体原料物质依次紧密叠加而成。本实用新型中不仅要求所选择的所述多孔超薄膜载体层6有足够的机械强度，而且所选择的多孔超薄膜载体层6必须有较高的透气率。所选择的多孔超薄膜载体层6的透氧率至少是聚合物超薄膜复合膜3中的均质无孔聚合物超薄膜层5的透氧率的20倍以上。
[0047]本申请中的所述均质无孔聚合物超薄膜层5是本 申请人:用现有技术的已知的聚合物原料制备而成，这里所述的“无孔”并非是指这种均质无孔聚合物超薄膜层5是任何物质都完全不能透过的意思，而是指这种均质无孔聚合物超薄膜层5没有人们普通所称的物理上永久固定的孔。因此，任何大于I纳米的渗透物分子都不可能穿过均质无孔聚合物超薄膜层5，所以，带有均质无孔聚合物超薄膜层5的聚合物超薄膜复合膜3具有100%地阻止空气中的尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、和烟尘的穿透的能力。物质渗透经过均质无孔聚合物超薄膜层5过程的机制遵循溶解扩散模型(the solution-diffusionmodel)。
[0048]现有技术中，膜最重要的特性是他们有能力控制不同物质的渗透速率。根据膜材料的结构和分离过程的原理，膜可划分为两类，与之相应的有两种模型被用来描述这两类膜的物质渗透过程的两种机制。一个模型是孔渗透模型(the pore-flow model),遵从这一模型的膜的渗透物因压力差(或者分压压力差)为渗透驱动力流过膜中大小不一的小孔(这里的小孔是物理上永久固定的孔)。另一种模型是溶解扩散模型(the solution-diffusionmodel )，遵从这一模型的膜的渗透物首先在膜表面吸附，然后溶解在膜材料中，再因渗透物在膜材料中的浓度梯度经扩散而通过膜，然后吸附在膜表面的另一面，最后渗透物经脱附而通过膜。均质无孔聚合物超薄膜层5即是这种遵从溶解扩散模型的膜，通过这种膜的时候，不同物质的分离是由不同物质在膜中的溶解度和扩散速率的差异来决定的。
[0049]对于均质无孔聚合物超薄膜5，渗透物在膜中的传输过程是由溶解扩散模型和菲克定律(Fick’ s law)来描述,在均质无孔聚合物超薄膜5中的聚合物的自由体积(thefree volume of the polymer)是由聚合物分子的热运动引起的聚合物链之间的狭小的空间组成。这些聚合物的自由体积与渗透物因浓度梯度穿越均质无孔聚合物超薄膜5中的聚合物的运动规模大约在同一时间上出现和消失。目前人们公认的知识认为，对于渗透物分子的大小来讲，是均质无孔聚合物超薄膜5瞬态产生的聚合物自由体积作为渗透物的穿越空间，遵从溶液扩散模型和菲克定律。与其不同的另一类多孔膜，具有永久小孔，遵从孔渗透模型和达西定律，它们之间的过渡范围是在5-10埃(0.5-1纳米)内。(参见文献:R.W.Baker, “Membrane Technology and Applications”第三版，2012,由 John ffiley&SonsLtd出版。)由此可见，任何大于I纳米的渗透物分子都不可能穿过均质无孔聚合物超薄膜层5。因此，带有均质无孔聚合物超薄膜层5的聚合物超薄膜复合膜3具有100%地阻止空气中的尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、和烟尘穿透的能力，即选用任何氧气渗透率高的无孔聚合物作为聚合物超薄膜复合膜3的材料，均适用于本实用新型所公开的制造具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防烟尘和富氧的聚合物材料。
[0050]如上所述，空气中的物质(比如尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、烟尘、氧气、氮气、污染物分子等)透过或者穿透所述均质无孔聚合物超薄膜层5的机制遵从溶解扩散的传递机理，其透过或者穿透所述均质无孔聚合物超薄膜层5的具体过程可描述如下:
[0051]1、所述空气中的物质首先与所述均质无孔聚合物超薄膜层5的表面发生碰撞接触；
[0052]2、所述空气中的物质与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面发生碰撞后，所述空气中的物质吸附在与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面上；[0053]3、所述空气中的物质吸附在与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面上后，所述空气中的物质溶解于所述均质无孔聚合物超薄膜层5内；
[0054]4、溶解于所述均质无孔聚合物超薄膜层5内的所述空气中的物质，经浓度差而扩散到所述均质无孔聚合物超薄膜层5的另一表面；
[0055]5、吸附在所述均质无孔聚合物超薄膜层5的另一表面的所述空气中的物质经脱附进入所述多孔超薄膜载体层6内。
[0056]附图5、6、7、8、9、10分别显示了本 申请人:的一系列试验数据，它们是不同的佩戴者佩戴本实用新型的口罩后对血中氧浓度随时间变化的试验数据，用于本实用新型中测量人体血液中的氧浓度的仪器是由美国Crucial Medical Systems公司生产的型号为CMS-50D指尖脉搏血氧仪。从附图5、6、7、8、9、10显示，当佩戴本实用新型的口罩后，除了具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘的功能外，人们还可以吸入清新健康的富氧，进而起到保健、医用、和氧疗的作用。
[0057]如图5所示，试验者为59岁的男性亚裔，当不戴口罩时，感觉疲劳、头晕、头疼等不适症状，所测的血中氧浓度为92%到93%。该试验者戴上所述复合膜口罩后，所测的血中氧浓度5分钟后升至96% (血中氧浓度大于95%为健康范围)。约10分钟后，疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉大大降低。30分钟后，疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉完全消失，直到试验结束(即120分钟)。试验结束后的当天，试验者再无疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉。
[0058]如图6所示，试验者为82岁的女性亚裔，当不戴口罩时，感觉胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状，所测的血中氧浓度为91%到93%。该试验者戴上所述复合膜口罩后，所测的血中氧浓度5分钟后升至96% (血中氧浓度大于95%为健康范围)。约15分钟后，胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉大大降低。40分钟后，胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉完全消失，直到 试验结束(即120分钟)。试验结束后的当天和第二天，试验者再无胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉。
[0059]图7到图10为有代表性的人群在不戴口罩时和戴上所述复合膜口罩后所测的血中氧浓度的试验数据。试验结果表明戴上所述复合膜口罩后的血中氧浓度都有不同程度的升高。
[0060]如图10所示，试验者为48岁的男性亚裔，戴上所述复合膜口罩后在运动中所测的血中氧浓度和脉搏的试验数据。试验结果表明戴上所述复合膜口罩后在运动中所测的血中氧浓度略有升高。
[0061]下面对本实用新型的口罩的富氧功能及其依据的原理进行简单的描述。如上所述，所述均质无孔聚合物超薄膜层5遵循溶解扩散的物质(包括分子)的传递机理，气体通过均质无孔聚合物超薄膜层5传输的渗透系数(the permeability coefficient) P可表示为:
[0062]P = DXS 【I】其中D是一个平均的扩散系数，其单位为cm2/s ;S是溶解度系数，其单位为 cm3(STP)/ (cm3) (torr),其中 STP 代表着 Standard Temperature and Pressure,即标准温度(0°C)与标准压力(IOOkPa)，也被称为标准状态。渗透系数P的单位为cm3(STP) / (cm) (torr) (s)。
[0063]所述均质无孔聚合物超薄膜层5对于气体A和气体B的选择性可定义为气体A和气体B渗透系数的比率(αΑ,Β):
【权利要求】
1.一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩,含有口罩体和口罩带，口罩体是平面形状的或是向外凸出的凸形曲面的；口罩带与口罩体之间是连接成半环的，或直线口罩带一端头与口罩体连接的，或是直线口罩带穿套在口罩体双侧的；口罩带是松紧式的或是非松紧式的；其特征在于:所述的口罩体(1)中央设置有空腔(4)，能实现五防功能且能产生富氧的聚合物超薄膜复合膜(3)镶嵌在所述的空腔(4)中；所述的空腔(4)至少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜(3)出入的插入口(9);所述的聚合物超薄膜复合膜(3)由均质无孔聚合物超薄膜层(5)和多孔超薄膜载体层(6)相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5 )与所述的口罩体(1)的外侧面(7 )相邻，所述的多孔超薄膜载体层(6)与所述的口罩体(1)的内侧面(8)相邻。
2.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的插入口(9)设置在所述口罩体(1)的任一侧边上；或设置在所述口罩体(I)的所述外侧面(7)或所述内侧面(8)上；所述的插入口(9)设置或不设置尼龙搭扣类开合结构(10)。
3.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的面积占所述的口罩体(1)面积的30%至100% ο
4.根据权利要求1或3所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的面积占所述的口罩体(1)面积的50%至90%。
5.根据权利要`求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)是一种由高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜；所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6ο
6.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.001-5微米。
7.根据权利要求1或6所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.05-1微米。
8.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的多孔超薄膜载体层(6)是以下三种结构之一:[1]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6); [2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6); [3]由至少两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层(6 )。
9.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度和孔隙率分别为0.03-0.26毫米和20%-90% ;所述的多孔超薄膜载体层(6)从接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的表面到外表面的平均孔径从0.001-0.01微米扩大到0.1-10微米。
10.根据权利要求8或9中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的不对称孔的厚度和孔隙率分别为0.10-0.15毫米和50%-80% ;所述的多孔超薄膜载体层(6)从接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的表面到外表面的平均孔径从0.01-0.05微米扩大到1-5微米。
11.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.03-0.26毫米、20%-90%和0.01-2微米。
12.根据权利要求8或11中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.10-0.15毫米、40%-80%和0.02-0.06微米。
13.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[3]由两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层(6)的接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的第一层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.01-0.05毫米、40%-80%和0.01-0.06微米，所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层(6)的第二层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.1-0.15毫米、40%-80%和0.1-10微米。
【文档编号】A62B7/10GK203379518SQ201320505627
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】黄河 申请人:武汉利英唯尔科学技术有限公司
【专利摘要】本实用新型公开了一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，属于医疗卫生【技术领域】。所述的口罩体中央设置有空腔，聚合物超薄膜复合膜镶嵌在所述的空腔中；所述的空腔至少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜出入的插入口；所述的聚合物超薄膜复合膜由均质无孔聚合物超薄膜层和多孔超薄膜载体层相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层与所述的口罩体的外侧面相邻，所述的多孔超薄膜载体层与所述的口罩体的内侧面相邻。本实用新型的口罩设计合理，结构简捷，采用了一种高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜层，除了具有能防PM2.5的五防功能之外，还具有富氧功能，使佩载者舒适且有益健康。
【专利说明】带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩
【技术领域】
[0001]本实用新型属于医疗卫生【技术领域】，具体涉及一种带高氧气渗透率的聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘，且能提供富氧的新型的防PM2.5
口罩、保健口罩、医用口罩、或氧疗口罩。
【背景技术】
[0002]现有技术中，随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对能源的需求随之增加，尤其在大、中城市，各类车辆和私家车大幅增加。由于对这些因素形成的空气污染缺乏足够的认识和重视，近年来，在人口密度大的地区，尤其是大、中城市产生雾霾天气，严重威胁人民的身体健康和生命。雾霾天气产生的机制很复杂，其化学成分也非常复杂。它含有大量的含氮有机颗粒物，它的成分非常复杂，它不是一种物质，而是好几十种物质，这些物质可能引发癌症及其它严重疾病。更重要的是，病毒、病菌都能在这种很小的颗粒物上存活和繁殖，附着在大气的颗粒物上，在空气中产生大量的游离着的病毒和病菌分子，就会传播疾病。PM2.5是空气污染物中对人危害最大的细颗粒物，此细颗粒物的直径等于或者小于2.5微米，PM2.5在医学上叫可入肺颗粒物，一般来说我们外科的口罩大概能够有PM4的微粒可以预防，到PM2.5就不行了，到PM2.5现在一般是要N95的那种口罩，但那种口罩很闷，不能长期用。
[0003]现有技术中，因应不同的用途和需求，口罩有不同的种类与分级，简单说明如下。
[0004]一般口罩:这种口罩没有经过额外的处理，其纤维结构的孔隙相当大(约I微米)，所以无法有效阻止经空气传染的病原。此外，一般的口罩对於比较容易进入人类呼吸系统的灰尘，并没有防护的效果，但对於颗粒大的灰尘，还是有一些阻绝的作用。这种口罩可以作为保暖、避免灰头土脸与鼻孔肮髒等用途，但是不可作为防止病菌侵入之用。
[0005]活性碳口罩:活性碳具有多孔隙的结构。其过滤层的主要功用在于吸附有机气体、具恶臭的分子及毒性粉尘，并非用于过滤粉尘，不具杀菌的功能。但活性碳的使用有一项限制，一旦所有的细孔都被填满，便失去效用，此时必须置换口罩，但何时到达饱和点并不太容易判断。活性碳会将病毒粒子吸引到口罩表面，但是却无法「杀死病毒」，因此，手、眼、鼻或嘴意外接触到使用过的活性碳口罩表面，依然有可能导致疾病的传染。
[0006]医疗用口罩:医用口罩主要是为了避免医生的飞沫影响病人，功能设计并不是要免于吸入粒状有害物，其效果虽然比棉纱口罩及布质印花口罩好，但是顶多也只有70%的效果，拿这样的口罩来阻绝病菌，效果可能非常有限。标准的外科医疗用口罩分叁层，外层有阻尘阻水作用，可防止飞沫进入口罩里面，中层有过滤作用，可挡住90%以上的5微米颗粒，近口鼻的一层作为吸湿之用。
[0007]带电滤材口罩:根据这种口罩的主要生产厂商美国3M公司所提供的资料显示，带电滤材的功用主要在于便利呼吸，而不在于过滤。这种口罩实际有过滤作用的是位于带电滤材下的一层碳。其过滤机制可能与活性碳口罩相同，这表示它与活性碳口罩有相同的使用限制。其中还有一层所谓的「附著电阻过滤材质」，其作用在于延长口罩的寿命及增加舒适度。
[0008]美国职业安全卫生研究所(NationalInstitute for Occupational Safety andHealth)的认證，将防护性口罩分为叁个系列，除N系列外，尚有P及R系列，各含95、99及100叁型，分别表示在特殊环境下，可阻绝95、99及99.7%的病菌。
[0009]SARS流行期间大家争相抢购的N95型口罩，是美国指定防範肺结核病菌的防疫口罩，可以有效过滤结核桿菌(直径约为0.3-0.6微米，长1-4微米)，防止经由空气的感染。其检验的标准为，用0.3微米氯化钠微粒进行测试，阻隔效率须达95%以上，并经佩戴者脸庞紧密度测试，确保在密贴脸部边缘状况下，空气能透过口罩进出。
[0010]现有技术中，一般口罩的孔洞最小约为0.3微米，而SARS病毒的大小约为0.08-0.14微米，所以一般的观念都是认为口罩并不能有效地过滤SARS病毒。世界卫生组织(WHO)认定SARS是飞沫传染，所谓的飞沫传染就说明了病毒并不是个别地散布在空气中，主要是藏在口鼻飞沫(其大小约为病毒的上百倍大，超过0.3微米)内，以医疗用的口罩来说，它就有65%以上的飞沫阻绝效率，因此口罩对于「飞沫传染」的疾病预防，还是有一定的效用。
[0011 ] 新近诞生的纳米光触媒口罩具有相当的杀菌功能，其原理是利用光催化反应来分解有害物质与杀菌。光催化反应是藉由一种半导体光电陶瓷作为触媒，以达到将吸附物质氧化或还原的目的。许多半导体光电陶瓷皆可作为光触媒，如二氧化钛(Ti02)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等。目前使用最多的光触媒为二氧化钛，它除了具有相当强的氧化与还原能力外，还具有化学安定性、对环境无害、价格低廉等优点。我国吉林省惟升科贸发展有限公司新开发的纳米防护系列口罩产品，集中了纳米材料技术，高效率过滤、杀菌材料技术等，以突出的防护性能，已获得以下专利:1、折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252129)。2、防飞沫抗菌口罩。(专利号:03252128)。3、平板折叠形纳米防护口罩。(专利号:03252131 )。
4、罩杯形纳米防护口罩。(专利号:03252130)。
[0012]中国人口密度大的各大地区，尤其是大、中城市，不仅空气污染极为严重，并且这种污染也导致空气中氧的浓度从大自然的21%降到19%以下，长期处于贫氧状态。对于汽车出行高峰期的某些地区，由于空气中的氧大量用于汽车燃油的燃烧，空气中氧的浓度甚至低于18%，处于极度贫氧状态。因此真正吸入到人体体内的氧气量大大降低。生活在这种贫氧或者极度贫氧环境下的人们，其健康将受到严重威胁，其身体将处于亚健康状态，并且很容易患上或者诱发多种慢性疾病，缺氧将是造成许多疾病的主因之一，比如头痛、心脑血管疾病，心绞痛，等等。众所周知，氧气是人类生存不可或缺的气体。如果能有一种技术能制造一种具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘和富氧功能的口罩给人们佩戴，非常方便地给人们提供清新健康的富氧，它将大大改善人们大脑供氧的状况，并因此缓解或者根治由缺氧而引起的各种不良身体症状，可大大缓解脑疲劳，醒脑提神，保持旺盛精力；可消除因体内血液中氧浓度低而导致的疲劳，倦怠和头晕、头疼等不适症状。在清新健康富氧的环境下，人们的体力机能，大脑智力，血液氧浓度等能达到身体最佳状态。这种状态对于老年人、孕妇、儿童，以及学习强度和心理压力大的学生，和工作强度和心理压力大的各类群体，都将具有特别显著的保健和医疗作用。
[0013]尽管如上所述的现有技术通过过滤和吸附乃至光催化，纳米技术等提供了“五防”(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)中的某项或某几项功能的口罩。但目前尚无任何技术和产品能够在满足五防(即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘)功能的同时，提供富氧功能的口罩。而且，绝大多数口罩都不能防PM2.5大小的可入肺颗粒物，有少数能防PM2.5的可入肺颗粒物的口罩，如N95型口罩，但这些种类的口罩佩载时让人感觉很闷，不能长期使用。
实用新型内容
[0014]针对现有技术的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，它能够在满足五防，即防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘功能的同时，提供富氧功能，具有特别显著的防PM2.5、保健、医用、和氧疗功能。
[0015]本实用新型的技术方案是:一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩和现有技术的普通口罩一样，含有口罩体和口罩带，口罩体是平面形状的或是向外凸出的凸形曲面的；口罩带与口罩体之间是连接成半环的，或直线口罩带一端头与口罩体连接的，或是直线口罩带穿套在口罩体双侧的；口罩带是松紧式的或是非松紧式的。其特别之处在于:所述的口罩体中央设置有空腔，能实现五防功能且能产生富氧的聚合物超薄膜复合膜镶嵌在所述的空腔中；所述的空腔少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜出入的插入口 ；所述的聚合物超薄膜复合膜由均质无孔聚合物超薄膜层和多孔超薄膜载体层相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层与所述的口罩体的外侧面相邻，所述的多孔超薄膜载体层与所述的口罩体的内侧面相邻。
[0016]所述的插入口设置在所述口罩体的任一侧边上；或设置在所述口罩体的所述外侧面或所述内侧面上；所述的插入口设置或不设置尼龙搭扣类开合结构。
[0017]所述的聚合物超薄膜复合膜的面积占所述的口罩体面积的30%至100%。所述的最佳的聚合物超薄膜复合膜的面积占所述的口罩体面积的50%至90%。
[0018]所述的均质无孔聚合物超薄膜层是一种由高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜；所述的均质无孔聚合物超薄膜层的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6。
[0019]所述的均质无孔聚合物超薄膜层的厚度为0.001-5微米。所述的均质无孔聚合物超薄膜层的最佳厚度为0.05-1微米。
[0020]所述的多孔超薄膜载体层是以下三种结构之一:[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层；[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层；[3]由至少两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层。
[0021]所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层的厚度和孔隙率分别为0.03-0.26毫米和20%-90% ;所述的多孔超薄膜载体层从接触所述均质无孔聚合物薄膜层的表面到外表面的平均孔径从0.001-0.01微米扩大到1-10微米。
[0022]所述的[I]具有不对称孔径分布的最佳的多孔超薄膜载体层的厚度和孔隙率分别为0.10-0.15毫米和50%-80% ;所述多孔超薄膜载体层从接触所述均质无孔聚合物薄膜层的表面到外表面的最佳平均孔径从0.01-0.05微米扩大到1-5微米。
[0023]所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.03-0.26毫米、20%-90%和0.01-2微米；最佳厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.10-0.15毫米、40%-80% 和 0.02-0.06 微米。
[0024]所述的[3]由两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层的接触所述均质无孔聚合物薄膜层的第一层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.01-0.05毫米、40%-80%和0.01-0.06微米，所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层的第二层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.1-0.15毫米、40%-80%和0.1-10微米。
[0025]本实用新型的口罩设计合理，结构简捷，采用了一种高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜层，除了具有能防PM2.5的五防功能之外，还具有富氧功能，使佩载者舒适且有益健康。特殊情况下，给有病的人佩载本实用新型的富氧功能的口罩，使其吸入清新健康的富氧后，能迅速缓解心绞痛、脑血栓、中风等情况，为去医院治疗前赢得时间，并使其后续治疗变得容易和有效得多。
[0026]本实用新型的五防富氧口罩带来的有益效果是:
[0027]1、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，不仅表现在其高效防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘的性能特征上，而且还具有给人们非常方便地提供清新健康的富氧的特殊性能特征，因此可广泛地作为防PM2.5、保健、医用、和氧疗口罩应用于各种情况下。
[0028]2、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，随着使用的时间，所述聚合物超薄膜复合膜3的性能，无论是透气性还是过滤效率，均保特不变。如果聚合物超薄膜复合膜3没有机械损坏或者没有其它物理破坏(即完好地保护复合膜)，其使用寿命非常长。
[0029]3、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，在使用所述复合膜口罩时，聚合物超薄膜复合膜3是非一次性使用的，它可以多次重复使用，从而使得使用本实用新型的口罩非常经济实用，能减少所述聚合物超薄膜复合膜3材料的浪费和因扔弃所述聚合物超薄膜复合膜3而导致的环境污染。
[0030]4、应用本实用新型的所述聚合物超薄膜复合膜3制造的口罩，尤其是用于医用的防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘和富氧的复合膜口罩时，由于所述聚合物超薄膜复合膜3具有极强的化学和物理稳定性，所以所述聚合物超薄膜复合膜3可通过各种物理或者化学以及物理和化学并用的方式进行消毒(即杀菌、杀病毒)处理而不影响其性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]附图1是本实用新型五防富氧口罩一实施例结构示意图；
[0032]附图2是本实用新型五防富氧口罩另一实施例结构示意图；
[0033]附图3是附图1中A-A剖视结构示意图；
[0034]附图4是附图3中虚线圆A部分放大结构示意图；
[0035]附图5是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之一；
[0036]附图6是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之二 ；
[0037]附图7是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之三；
[0038]附图8是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之四；
[0039]附图9是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之五；[0040]附图10是佩载本实用新型口罩后血中氧浓度随时间变化的试验数据之六；
[0041]附图11是不同透气率的膜与每次呼吸时吸入的氧气量的关系示意图；
[0042]附图12是聚合物超薄膜复合膜的氧气和氮气的透气渗透率试验示意图；
[0043]附图13是聚合物超薄膜复合膜的富氧功能测试示意图；
[0044]附图14是聚合物超薄膜复合膜的病毒阻碍性能测试示意图；
[0045]附图中标记分述如下:1 一口罩体；2 —口罩带；3—聚合物超薄膜复合膜；4一空腔；5—均质无孔聚合物超薄膜层；6—多孔超薄膜载体层；7—外侧面；8 —内侧面；9一插入口 ；10—尼龙搭扣类开合结构；60—氧气瓶；61—氧气管道；62—氮气瓶；63—氮气管道；64—三通阀；65—压力调节器；66—原料气管道；67—测试箱；68—测试箱进气口 ；69—托网；70—测试箱出气口 ；71—原料气出口 ；72—气体压力表；73—气体阀；74—透过气体的气体管道；75—气体流速计量器；76—大气连通口 ；80—空气瓶；81—空气压力调节器；82—空气管道；83—测试箱；84—测试箱空气进口 ；85—托网；86—渗透气出口 ；87—气体压力表；88—尾气压力调节器；89—尾气气体流速控制器；90—尾气出口 ；91 一透过气体的出口 ；92—透过气体的气体管道；93—气体流速计量器；94一气体测氧仪；95—大气连通口 ；80a —空气瓶；81a—空气管道；82a—空气流速控制器；83a—含试验病毒的缓冲溶液；84a—缓冲溶液的容器；85a—气雾发生器；86a—含试验病毒的空气导管；87a—复合膜病毒阻碍性能的测试箱；88a—含有试验病毒的空气进口 ；89a—含有试验病毒的尾气出口导管；90a—气体压力表；91a—空气压力调节器；92a—含有试验病毒的尾气出口 ；93a—托网；94a—渗透气出口 ；95a—渗透气导管；96a—病毒收集液；97a—病毒收集液的容器；98a—气体流速计量器；99a—渗透气的出口 ；IOOa—二级生物安全柜；100—测试样品。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】及有关技术问题作进一步详细的描述。附图1是本实用新型五防富氧口罩一实施例结构不意图。本实施例中口罩带2和口罩体I之间是连接成半环形的，口罩体I的中央设置有空腔4，聚合物超薄膜复合膜3嵌合在空腔4内。需要说明的是，图示中为了分清层次，将空腔4边沿和聚合物超薄膜复合膜3边沿留有较大空隙，其实它们应该是相互邻接得紧密的(以下同)。空腔4上沿开设有插入口9，插入口 9设置在口罩体I的上侧，它也可以设置在口罩体I的其它各侧。在插入口 9处可以设置或不设置尼龙搭扣类开合结构。口罩体I的材料可以是纱布或布或无纺布或其它制作口罩的常用材料，其连接方式可以是线缝制连接，或粘结连接，或现有技术中的其它常用连接方式(以下同)。附图2是本实用新型五防富氧口罩另一实施例结构示意图。本实施例中口罩体I是向外凸出的凸形曲面的，口罩带2是直条形的，其一端与口罩体I相连接，在本例中，空腔4的上方和左方开有插入口 9，插入口 9位于口罩体I的外侧面7上，插入口 9处设置有尼龙搭扣类开合结构10。附图3是附图1中A-A剖视结构示意，附图4是附图3中虚线圆A放大示意。图3、4中显示，聚合物超薄膜复合膜3是由均质无孔聚合物超薄膜层5和多孔超薄膜载体层6紧密结合而成。所述多孔超薄膜载体层6可以是一种超薄膜载体原料物质组成的一层，也可以是两种超薄膜载体原料物质依次紧密叠加而成。本实用新型中不仅要求所选择的所述多孔超薄膜载体层6有足够的机械强度，而且所选择的多孔超薄膜载体层6必须有较高的透气率。所选择的多孔超薄膜载体层6的透氧率至少是聚合物超薄膜复合膜3中的均质无孔聚合物超薄膜层5的透氧率的20倍以上。
[0047]本申请中的所述均质无孔聚合物超薄膜层5是本 申请人:用现有技术的已知的聚合物原料制备而成，这里所述的“无孔”并非是指这种均质无孔聚合物超薄膜层5是任何物质都完全不能透过的意思，而是指这种均质无孔聚合物超薄膜层5没有人们普通所称的物理上永久固定的孔。因此，任何大于I纳米的渗透物分子都不可能穿过均质无孔聚合物超薄膜层5，所以，带有均质无孔聚合物超薄膜层5的聚合物超薄膜复合膜3具有100%地阻止空气中的尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、和烟尘的穿透的能力。物质渗透经过均质无孔聚合物超薄膜层5过程的机制遵循溶解扩散模型(the solution-diffusionmodel)。
[0048]现有技术中，膜最重要的特性是他们有能力控制不同物质的渗透速率。根据膜材料的结构和分离过程的原理，膜可划分为两类，与之相应的有两种模型被用来描述这两类膜的物质渗透过程的两种机制。一个模型是孔渗透模型(the pore-flow model),遵从这一模型的膜的渗透物因压力差(或者分压压力差)为渗透驱动力流过膜中大小不一的小孔(这里的小孔是物理上永久固定的孔)。另一种模型是溶解扩散模型(the solution-diffusionmodel )，遵从这一模型的膜的渗透物首先在膜表面吸附，然后溶解在膜材料中，再因渗透物在膜材料中的浓度梯度经扩散而通过膜，然后吸附在膜表面的另一面，最后渗透物经脱附而通过膜。均质无孔聚合物超薄膜层5即是这种遵从溶解扩散模型的膜，通过这种膜的时候，不同物质的分离是由不同物质在膜中的溶解度和扩散速率的差异来决定的。
[0049]对于均质无孔聚合物超薄膜5，渗透物在膜中的传输过程是由溶解扩散模型和菲克定律(Fick’ s law)来描述,在均质无孔聚合物超薄膜5中的聚合物的自由体积(thefree volume of the polymer)是由聚合物分子的热运动引起的聚合物链之间的狭小的空间组成。这些聚合物的自由体积与渗透物因浓度梯度穿越均质无孔聚合物超薄膜5中的聚合物的运动规模大约在同一时间上出现和消失。目前人们公认的知识认为，对于渗透物分子的大小来讲，是均质无孔聚合物超薄膜5瞬态产生的聚合物自由体积作为渗透物的穿越空间，遵从溶液扩散模型和菲克定律。与其不同的另一类多孔膜，具有永久小孔，遵从孔渗透模型和达西定律，它们之间的过渡范围是在5-10埃(0.5-1纳米)内。(参见文献:R.W.Baker, “Membrane Technology and Applications”第三版，2012,由 John ffiley&SonsLtd出版。)由此可见，任何大于I纳米的渗透物分子都不可能穿过均质无孔聚合物超薄膜层5。因此，带有均质无孔聚合物超薄膜层5的聚合物超薄膜复合膜3具有100%地阻止空气中的尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、和烟尘穿透的能力，即选用任何氧气渗透率高的无孔聚合物作为聚合物超薄膜复合膜3的材料，均适用于本实用新型所公开的制造具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防烟尘和富氧的聚合物材料。
[0050]如上所述，空气中的物质(比如尘粒(包括PM2.5的微尘颗粒)、病毒、病菌、烟尘、氧气、氮气、污染物分子等)透过或者穿透所述均质无孔聚合物超薄膜层5的机制遵从溶解扩散的传递机理，其透过或者穿透所述均质无孔聚合物超薄膜层5的具体过程可描述如下:
[0051]1、所述空气中的物质首先与所述均质无孔聚合物超薄膜层5的表面发生碰撞接触；
[0052]2、所述空气中的物质与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面发生碰撞后，所述空气中的物质吸附在与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面上；[0053]3、所述空气中的物质吸附在与空气接触的所述均质无孔聚合物超薄膜层5表面上后，所述空气中的物质溶解于所述均质无孔聚合物超薄膜层5内；
[0054]4、溶解于所述均质无孔聚合物超薄膜层5内的所述空气中的物质，经浓度差而扩散到所述均质无孔聚合物超薄膜层5的另一表面；
[0055]5、吸附在所述均质无孔聚合物超薄膜层5的另一表面的所述空气中的物质经脱附进入所述多孔超薄膜载体层6内。
[0056]附图5、6、7、8、9、10分别显示了本 申请人:的一系列试验数据，它们是不同的佩戴者佩戴本实用新型的口罩后对血中氧浓度随时间变化的试验数据，用于本实用新型中测量人体血液中的氧浓度的仪器是由美国Crucial Medical Systems公司生产的型号为CMS-50D指尖脉搏血氧仪。从附图5、6、7、8、9、10显示，当佩戴本实用新型的口罩后，除了具有防尘(包括防PM2.5)、防病毒、防病菌、防污染、防烟尘的功能外，人们还可以吸入清新健康的富氧，进而起到保健、医用、和氧疗的作用。
[0057]如图5所示，试验者为59岁的男性亚裔，当不戴口罩时，感觉疲劳、头晕、头疼等不适症状，所测的血中氧浓度为92%到93%。该试验者戴上所述复合膜口罩后，所测的血中氧浓度5分钟后升至96% (血中氧浓度大于95%为健康范围)。约10分钟后，疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉大大降低。30分钟后，疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉完全消失，直到试验结束(即120分钟)。试验结束后的当天，试验者再无疲劳、头晕、头疼等不适症状的感觉。
[0058]如图6所示，试验者为82岁的女性亚裔，当不戴口罩时，感觉胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状，所测的血中氧浓度为91%到93%。该试验者戴上所述复合膜口罩后，所测的血中氧浓度5分钟后升至96% (血中氧浓度大于95%为健康范围)。约15分钟后，胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉大大降低。40分钟后，胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉完全消失，直到 试验结束(即120分钟)。试验结束后的当天和第二天，试验者再无胸闷、气不畅，头晕、头疼等不适症状的感觉。
[0059]图7到图10为有代表性的人群在不戴口罩时和戴上所述复合膜口罩后所测的血中氧浓度的试验数据。试验结果表明戴上所述复合膜口罩后的血中氧浓度都有不同程度的升高。
[0060]如图10所示，试验者为48岁的男性亚裔，戴上所述复合膜口罩后在运动中所测的血中氧浓度和脉搏的试验数据。试验结果表明戴上所述复合膜口罩后在运动中所测的血中氧浓度略有升高。
[0061]下面对本实用新型的口罩的富氧功能及其依据的原理进行简单的描述。如上所述，所述均质无孔聚合物超薄膜层5遵循溶解扩散的物质(包括分子)的传递机理，气体通过均质无孔聚合物超薄膜层5传输的渗透系数(the permeability coefficient) P可表示为:
[0062]P = DXS 【I】其中D是一个平均的扩散系数，其单位为cm2/s ;S是溶解度系数，其单位为 cm3(STP)/ (cm3) (torr),其中 STP 代表着 Standard Temperature and Pressure,即标准温度(0°C)与标准压力(IOOkPa)，也被称为标准状态。渗透系数P的单位为cm3(STP) / (cm) (torr) (s)。
[0063]所述均质无孔聚合物超薄膜层5对于气体A和气体B的选择性可定义为气体A和气体B渗透系数的比率(αΑ,Β):
【权利要求】
1.一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩,含有口罩体和口罩带，口罩体是平面形状的或是向外凸出的凸形曲面的；口罩带与口罩体之间是连接成半环的，或直线口罩带一端头与口罩体连接的，或是直线口罩带穿套在口罩体双侧的；口罩带是松紧式的或是非松紧式的；其特征在于:所述的口罩体(1)中央设置有空腔(4)，能实现五防功能且能产生富氧的聚合物超薄膜复合膜(3)镶嵌在所述的空腔(4)中；所述的空腔(4)至少一边设置有能使所述聚合物超薄膜复合膜(3)出入的插入口(9);所述的聚合物超薄膜复合膜(3)由均质无孔聚合物超薄膜层(5)和多孔超薄膜载体层(6)相互紧密叠加而成，所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5 )与所述的口罩体(1)的外侧面(7 )相邻，所述的多孔超薄膜载体层(6)与所述的口罩体(1)的内侧面(8)相邻。
2.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的插入口(9)设置在所述口罩体(1)的任一侧边上；或设置在所述口罩体(I)的所述外侧面(7)或所述内侧面(8)上；所述的插入口(9)设置或不设置尼龙搭扣类开合结构(10)。
3.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的面积占所述的口罩体(1)面积的30%至100% ο
4.根据权利要求1或3所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的聚合物超薄膜复合膜(3)的面积占所述的口罩体(1)面积的50%至90%。
5.根据权利要`求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)是一种由高氧气渗透率或对氧气高选择性的聚合物制成的均质无孔超薄膜；所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的氧气对氮气的渗透系数的比率为1.5-6ο
6.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.001-5微米。
7.根据权利要求1或6所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的均质无孔聚合物超薄膜层(5)的厚度为0.05-1微米。
8.根据权利要求1所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的多孔超薄膜载体层(6)是以下三种结构之一:[1]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6); [2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6); [3]由至少两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层(6 )。
9.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度和孔隙率分别为0.03-0.26毫米和20%-90% ;所述的多孔超薄膜载体层(6)从接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的表面到外表面的平均孔径从0.001-0.01微米扩大到0.1-10微米。
10.根据权利要求8或9中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[I]具有不对称孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的不对称孔的厚度和孔隙率分别为0.10-0.15毫米和50%-80% ;所述的多孔超薄膜载体层(6)从接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的表面到外表面的平均孔径从0.01-0.05微米扩大到1-5微米。
11.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.03-0.26毫米、20%-90%和0.01-2微米。
12.根据权利要求8或11中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[2]均匀孔径分布的多孔超薄膜载体层(6)的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.10-0.15毫米、40%-80%和0.02-0.06微米。
13.根据权利要求8中所述的一种带聚合物超薄膜复合膜的能防PM2.5的五防富氧口罩，其特征在于:所述的[3]由两层多孔材料叠加的多孔超薄膜载体层(6)的接触所述均质无孔聚合物薄膜层(5)的第一层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.01-0.05毫米、40%-80%和0.01-0.06微米，所述的[3]至少两层多孔聚合物材料叠加制成的多孔超薄膜载体层(6)的第二层的厚度、孔隙率和平均孔径分别为0.1-0.15毫米、40%-80%和0.1-10微米。
【文档编号】A62B7/10GK203379518SQ201320505627
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】黄河 申请人:武汉利英唯尔科学技术有限公司
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