【摘 要】
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口罩是应用最为广泛的人体呼吸防护用品,可显著减少细颗粒污染及通过气溶胶、飞沫引起的细菌病毒传播对人体和公共卫生造成的危害。但目前佩戴商用高效防护口罩普遍存在很强的面部闷热感,特别是在高湿环境下长期佩戴,这极大的限制了个人呼吸防护装置的推广使用,也不利于提高公共卫生防控能力。为此,本文将辐射冷却这种零能耗表面冷却技术用于口罩滤料热管理,通过静电纺工艺制备兼具热舒适性和高效PM2.5防护功能的PA6-
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口罩是应用最为广泛的人体呼吸防护用品,可显著减少细颗粒污染及通过气溶胶、飞沫引起的细菌病毒传播对人体和公共卫生造成的危害。但目前佩戴商用高效防护口罩普遍存在很强的面部闷热感,特别是在高湿环境下长期佩戴,这极大的限制了个人呼吸防护装置的推广使用,也不利于提高公共卫生防控能力。为此,本文将辐射冷却这种零能耗表面冷却技术用于口罩滤料热管理,通过静电纺工艺制备兼具热舒适性和高效PM2.5防护功能的PA6-TiO2复合纤维口罩滤料,并利用Mie散射理论和FDTD数值仿真探究了它的透人体红外辐射和阻太阳可见光的特性。首先,采用静电纺丝法制备了透红外PA6纳米纤维滤料。通过控制纤维成形时的电场分布来调节PA6纤维的排列方式和滤料孔隙,得到具有低呼吸阻力(49
[email protected] cm/s)、高PM2.5捕获率(>99%)和高人体红外热辐射透过率(>88%)的PA6纤维滤料。在25.3℃室内环境下,佩戴PA6滤芯口罩时面部表面温度比佩戴一次性口罩和N95口罩分别降低1.5℃和1.7℃。然后,利用Mie散射理论对静电纺PA6纤维滤料的红外辐射特性进行计算分析。计算得到PA6纤维滤料的光学常数和辐射热导率(3.076 mW·m-1·K-1),探究了纤维直径和体积分数对滤料透红外性能的影响规律。经研究发现减小纤维直径或纤维体积分数都可以增大滤料的透红外性能,但同时也降低了捕获PM2.5的性能。接着,通过在纤维上负载具有高折射率的TiO2颗粒,制备具有透红外阻可见功能的PA6-TiO2复合纤维滤料,探究了TiO2颗粒粒径、质量分数、表面形貌、晶型等对复合滤料的可见光透过性和辐射冷却性的影响规律。经研究发现,添加质量分数为1.1%的金红石型亚微米花状TiO2颗粒可以最大程度提升纤维滤料阻可见光的性能。所得PA6-TiO2(花状)滤料孔径范围在50~1000 nm,与可见光波长相当,对可见光(300~800 nm)的透射率为71.7%,较纯PA6滤料降低了15.45%,且红外透过率仍高于85%。该复合滤料对PM2.5的过滤效率高达94%,呼吸阻力低至22 Pa,水蒸气的透过率为0.0169g/cm~2/h。最后,利用FDTD对PA6-TiO2复合纤维滤料在红外和可见光波段的穿透性能进行仿真计算,揭示了辐射热在纤维内部沿厚度方向的传输情况,并证实在相同体积分数下,添加颗粒直径为200 nm的PA6-TiO2滤料有着良好的可见光的阻挡性能。
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