医用防护面料性能要求及制备技术

谢宛姿， 佑晓露， 傅佳佳， 高卫东， 王鸿博

(江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122)

随着现代工业的高速发展，人类对自然的破坏加剧，污染日益严重，导致各种病菌的繁衍和传播。在全球范围内，已经出现的极具危险性传染疾病包括乙肝、艾滋病等，它们能够通过体液、血液途径进行快速传播。2019年底，国内出现了新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)，这种病毒可通过飞沫、接触以及气溶胶进行快速传播[1]，导致经常与病患直接或间接接触的医护人员存在很大感染风险。因此，利用各种医用防护材料来保障医护人员的身体健康极其重要。

医用防护材料的作用是产生病菌阻隔层，以防止病菌泳移，减少交叉感染[2]。随着现代医学的进步，人们对防护面料防护性能的要求越来越高，国内外专家也通过制定相关标准对医用防护材料的舒适性以及其他各种性能给予具体的规定；同时，各种防病菌医学防护材料(如阻隔织物、层压织物和涂层织物等)的研究获得了巨大发展[3]，并不断向更专业化的方向突破。

1 医用防护面料性能要求

为保障医患双方的安全，需严格把关医用防护材料的安全性，确保其具有优良的防护性能。防护性主要包括防液体渗透、阻隔微生物、阻隔颗粒物质3部分。此外，医用防护面料必须具备一定的力学性能；为了满足医护人员长时间的穿戴要求，近代医学对医用防护面料的舒适性能也提出了要求[4]。

中国于2009年5月发布GB19082—2009《医用一次性防护服技术要求》[5]，针对医用一次性防护服的性能、测试条件、测试方法提出具体的要求。例如，对其抗渗水性、抗合成血液穿透性、表面抗湿性以及对非油性颗粒的过滤效率等防护性能指标提出了要求；通过透湿量对其舒适性进行评价；通过断裂强力和断裂伸长率对其力学性能进行规定；通过带电量对其抗静电性能进行评估。

1.1 防护性能

防护性是医用防护面料最重要的性能。由于医护人员经常接触携带病菌的血液、体液和分泌物等，长期处于病菌活跃的环境中，所以防护面料必须具有防液体(如水、酒精和血液)渗透以及阻隔灰尘、气溶胶(如病菌)等颗粒物质的性能，以预防交叉感染，保障医护人员的身体健康。

1.2 舒适性能

面料舒适性包括热湿舒适性和接触舒适性。面料舒适性与纤维性能、织造技术以及后整理工艺等息息相关，主要表现为面料质量、透气透湿性、亲肤柔软性等，其中透气透湿性是评价舒适性最重要的指标之一。在长期穿着过程中，具有良好透气透湿性的防护服能够在短时间内将皮肤表面产生的湿气和热量快速吸收，并通过纤维迅速传递至织物外表面，以保持皮肤表面和服装内侧微环境的干燥，以此保障医护人员的身体健康，提高工作效率。而防护服的阻隔性能不允许面料具有很好的透气透湿性，如何平衡防护性与舒适性是医用防护面料的一个重要研究方向。SMS(纺黏-熔喷-纺黏)复合非织造材料在医疗防护卫生用品中应用广泛，由于其兼具纺黏和熔喷非织造布的优点，因而除了拥有熔喷层的良好阻隔性，还兼具纺黏层的透气透湿性[6]。

1.3 物理机械性能

虽然如今大多数医用防护服是一次性产品，但也必须具有一定的物理机械性能。如果防护服的抗磨损性、抗撕裂性能较差，在穿戴过程中受到外力拉扯后破裂、磨损脱絮，防护服就会成为病菌传播的通道，从而增加医护人员感染几率，使防护效果大打折扣。因此医用防护面料对断裂强力、断裂伸长率、撕破强力、耐磨强力等基本物理机械性能的要求较高。

1.4 其他性能

不产尘、不吸尘、不脱絮、防静电均是医用防护面料应该具备的性能。静电会导致纺织品吸尘，而医用防护服在使用过程中由于摩擦会产生静电，所以其必须具备一定的抗静电性能。

2 医用防护面料的纤维材料选择

根据医用防护面料的使用期限，可将其分为重复使用型和即弃型。重复使用型医用防护面料包括传统机织物、高密织物、涂层织物和层压织物等，主要用于医用日常工作服和手术服。即弃型医用防护面料主要以非织造布为主，与传统机织棉织物相比，非织造布具有柔软光滑、过滤性能极佳、不易产生尘埃颗粒等优点，因此，非织造布被广泛应用于医用防护领域[6]。

2.1 传统纤维材料

棉织物具有手感柔软、光泽柔和等优点，涤棉混纺织物具有手感挺滑、耐洗、快干等优点，由它们制成的防护面料接近日常服用面料，具有良好的透湿透气性能，穿着较为舒适，因此是目前日常医用工作服的主要面料[7]。此类医用防护面料在干燥情况下对病菌具有一定的防御能力，但在湿态条件下易受到病菌的入侵，且普通棉纤维制成的织物抗起毛起球性较差，不适用于无菌无尘的手术室，因此，日常医用手术服主要由高支棉纱、长丝、改性聚酯纤维等材料[8]加工而成。由以上材料制成的防护面料虽然穿着较为舒适、方便，透湿透气性能较好，但对病菌的屏障阻隔性能较差。

2.2 功能纤维材料

对血液、体液、病菌等进行有效阻隔是医用防护面料应满足的性能要求之一，目前已有多种高分子材料用于医用防护面料的制备。采用高分子材料(如聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)等)对普通防护面料进行一定整理加工、涂层和覆膜等操作，能够增加防护面料的防渗透性，增强面料抵御病菌的能力。

2.2.1PU/热塑性聚氨酯(TPU) 作为高分子化合物，PU和TPU具有较好的弹性和生理适应性，被广泛应用于医疗领域。在医用防护面料上多用PU对织物进行涂层加工，用涂层剂封闭织物表面，从而起到防渗透作用[9]。此外，聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、有机硅橡胶等材料也可用于织物涂层的整理，以提升织物的防护性能。TPU或TPU与PP共混应用于熔喷非织造布，可解决医疗防护用品柔性差的问题[10]。

2.2.2PP纤维材料 与传统棉纤维相比，PP价格更为低廉，高溶脂PP纤维材料经处理后可获得一定的抗菌、抗静电等性能，通常用于制作一次性手术衣[11]。但这种材料的抗静水压能力比较差，而且对病菌的阻隔效果也不佳，因此只能用作无菌外科手术衣。SMS复合防护材料大部分以PP为原料[12]，但必须经过后整理工序，以降低其表面张力，获取更佳的液体阻隔性能[13]。

2.2.3聚四氟乙烯(PTFE)材料 半渗透型材料可制成致密无孔、超微孔或微孔膜，通过涂层或覆膜加工的方法能够制成高性能防护面料。PTFE复合膜是半渗透型防护材料的典型代表。PTFE微孔膜表面为蜘蛛网状的微孔结构，膜的正反面尺寸有差异，微孔孔径介于水蒸气和水滴直径之间，可在防止血液和其他体液渗透的同时使水蒸气分子通过，具有一定的透气性，是目前企业生产医用防护面料时较为常用的复合膜材料[14]。

2.2.4可生物降解材料 为了有效阻隔病菌，目前使用的医用防护面料大多是即弃型非织造材料。即弃型医用防护用品在使用一次后需立即销毁，因此，一次性医用防护废弃物品的处理问题应引起重视。纤维素纤维(黏胶和醋酸纤维)、聚酯纤维(聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)纤维)等材料具有良好的生物降解性和生物相容性，经过堆肥掩埋处理后可完全分解为二氧化碳和水，对环境也没有任何污染，可用于手术衣、手术覆盖布等医用防护面料的生产[12，15]。

2.2.5功能性抗菌材料 随着对医用防护材料的深入研究，越来越多草本提取物和新型功能性材料用于纺织生产中。例如，莽草酸接枝固定在PLA非织造布上，能提高防护面料的抗菌性能[16]；党参提取物微粉水溶液与黏胶纺丝液结合，纺织成丝，能使改性后的黏胶纤维具有抗菌性[17]；以具有抗菌抑菌性能的氧化石墨烯为接枝单体，用PP非织造布接枝氧化石墨烯，可改善PP非织造布的抗菌和抗静电性能[18]；采用银/还原氧化石墨烯负载PP为材料，经熔喷纺丝，可制成具有抗菌和抗静电性能的防护面料[19]。

虽然可生物降解材料和功能性抗菌材料的加入使医用非织造布增加了可生物降解、抗菌等优良性能，但考虑到企业加工成本及批量化生产问题，棉织物、涤棉混纺织物、PP纺黏布、PU及PTFE涂层(覆膜)等材料仍是现在医用非织造布的首选。

3 医用防护面料制备技术

19世纪，为了防止医务人员在工作时被病菌感染，科研人员开始研发医用手术服，并得到广泛应用。当时医用手术服的制备技术只是传统的机织物加工法，手术服材料也是一种稀薄的机织棉布。二战中美军采用高密机织物加工法制备医用防护服，在1952年被BECK W C指出并不能完全抵抗病菌的入侵[20]。20世纪80年代以后，各种病毒不断对人类构成威胁，各国开始研发医用防护面料，探讨其加工制备技术。目前，医用防护面料加工制备技术可分为机织类防护面料加工制备技术和非织造布类防护面料加工制备技术，具体如图1所示。

3.1 机织类防护面料加工制备技术

机织类防护面料加工制备技术是以机织物为主的加工体系，并在此体系下兼顾不同的加工方法，包括传统加工法、高密加工法、涂层加工法和层压加工法。其中，传统加工法是采用棉纤维或者涤纶等合成纤维与棉的混纺纱相互交叉形成传统机织物的制备技术，制成的医用防护面料具有良好的舒适性，可应用于日常工作服和手术服。高密加工法是采用高支棉纱或其他超细合成纤维长丝织成高密度机织物的制备技术，医用防护高密织物的后整理则采用碳氟化合物、有机硅等防水剂的防液体透湿技术。由于高密织物特点为经纬密度大、总经根数多、组织交织点多及布面密实等，其制备技术存在一定的技术难点，如织造过程中出现开口不清、起毛、断纱等现象[21-22]，需要进一步攻克。涂层加工法是在机织物表面涂覆涂层剂，以防止水分渗透，但存在的主要问题是透湿性差，导致医护人员的穿着舒适性降低[23-24]。层压加工法是将一层特殊薄膜通过层压复合工艺与织物黏合在一起，又可分为干法、湿法和干湿法[25]。

3.2 非织造布类防护面料加工制备技术

非织造医用防护面料的发展可追溯到20世纪90年代，欧美发达国家最先拥有的水刺非织造先进技术是通过“三抗”(抗酒精、抗血、抗油)、抗静电、抗菌等处理及γ射线消毒的技术，但由于其抗静水压低而逐渐被纺黏法非织造技术取代，使得工艺流程和生产成本缩减，生产效率大大提高。“非典”时期，闪蒸非织造布防护面料和复合非织造布防护面料使用广泛。目前，非织造布类防护面料的主要制备方法有纺黏法、熔喷法、水刺法、闪蒸法和复合法等，其主要制备技术如图2[12]所示。

3.2.1纺黏法非织造技术 纺黏法是一种由聚合物切片原料直接熔融纺丝，冷却拉伸成网的制备技术，其基本工艺流程如图3所示。纺黏法工艺具有高速高产的特点，制成面料中的纤维呈长丝状，所以面料具有优异的抗拉伸强度，但其防渗透性能和手感舒适性较差。通常纺黏法使用最广泛的是宽狭缝负压牵伸系统工艺，并用海岛型、皮芯型和桔瓣型双组分纤维及多组分纤维进行面料制备，增加面料的柔软性，使其具有良好的手感[11]。

3.2.2熔喷法非织造布技术 熔喷法基本工艺流程如图4所示。熔喷法因其制备流程短、生产成本低而快速发展，其制备的非织造布具有纤维极细、比表面积大、孔隙率高等优点，这使其具有很好的阻隔性能，但是牵伸工艺流程短，导致其纤维的强力低。为了提高熔喷非织造布的性能，涌现出各种熔喷非织造布新技术，如驻极熔喷技术、双组分熔喷技术以及插层熔喷技术等[26]。

与传统熔喷技术不同，经过驻极体处理的熔喷纤维网能够有效增强非织造布对空气中有害物质的阻隔，这主要是因为驻极体的加入使非织造布除了自身基础过滤外，还附加了静电效应，从而对空气中灰尘等细小颗粒的吸附效率进一步提高[27]。由于熔喷非织造布具有高效、低阻的过滤性能，可用于医疗防护(如防护口罩)、电子器械、防雾霾窗纱等过滤材料领域。

3.2.3SMS复合非织造技术 由于熔喷非织造布具有较好的阻隔性能，而纺黏非织造布具有较高的强力，将两种工艺技术相结合，制备得到优势互补的SMS复合非织造布。SMS复合非织造布是由3层非织造布复合而成，上下两层为具有高强力的纺黏非织造布，中间层为具有高阻隔性的熔喷布。熔喷布是一层致密的超细纤维层，纤维间的空隙非常小，对空气中的颗粒物质和微生物具有很好的阻隔性能。SMS材料在中间层具有优良阻隔性、过滤性的同时，纺黏外层又具有高强力和良好舒适性，因此在医护纺织材料上有广泛的应用(如防护服、隔离衣、消毒包布等)[28]。

普通的SMS非织造布对血液、水和酒精没有完全的防渗透功能。为了达到医用防护材料的性能要求，使SMS非织造材料具有更广泛的应用，可以通过各种后处理工艺对SMS材料进行防菌[29]、抗静电[30]、拒液性[31]等功能化处理。

3.2.4其他非织造技术 水刺法是采用极细的高压水流对纤网进行反复穿刺，使纤维相互缠结，并固结成布的技术。水刺法基本工艺流程如图5所示。水刺法制得的面料具有良好的柔软性、悬垂性及吸湿透气性。纤维取向和水针工艺是影响面料性能的重要工艺参数，与平行于机器方向排列相比，纤维取向垂直于机器方向排列具有更优异的力学性能。多刺头和小水针距能使纤网中的纤维分布更加均匀，力学性能更佳[32]。在该制备工艺中，利用水刺加固技术代替纺黏法的化学试剂固网技术，能使产品更加绿色、安全、卫生[33]。

闪蒸法是将溶解在溶剂中的高聚物通过喷丝孔喷出，液态丝条在高速运动中固化，再经牵伸形成超细纤维，然后靠静电装置使纤维凝聚成网，最后经热轧加固而成的制备技术。闪蒸法基本工艺流程如图6所示。制备工艺中若选用烷类纺丝溶剂和较高的纺丝温度，能够提高面料的透气性和舒适性[34]，但目前闪蒸法因技术难度较高，导致生产成本增加。

4 结语

随着科技的发展与社会的进步，人类物质生活水平得到提高，然而由于人口增长，人类经济活动增加，导致生活环境逐步恶化，各类传染疾病不断侵蚀人类的身体，因此对医用防护用品的需求和性能要求在逐步提高。制备防护、舒适、抗静电等功能于一体的一次性绿色环保医用防护面料是未来的研究重点。目前，国内外主要对PTFE、聚乙烯等高聚物的涂层、覆膜和复合技术进行研究，可在增加医用防护面料防护性能的同时提升舒适透气性，但其作为一次性用品价格昂贵。

因此，在材料方面应选择价格低廉、可生物降解且防水透气的高分子材料；在制备工艺方面应选择趋于专业化和多功能化的复合加工方法。这对纺织材料及制备技术提出了新的、更专业的要求，加强学科交叉从而制备更具人性化的医用防护面料是纺织行业进一步的追求目标和前进方向。