医用非织造口罩材料及其新技术的研究现状

韩 玲,胡梦缘,马英博,郝栋连

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

呼吸道飞沫传播和接触传播是新冠肺炎(COVID-19)的主要传播途径,为此,医用口罩的需求急剧增加。非织造材料以其三维结构,孔径小、孔隙率高、过滤效率高、价格低等优点,在一次性口罩制造方面有着传统纺织品难以媲美的优势[1-2]。随着新冠肺炎疫情发展,在政府号召下,众多企业增加了非织造口罩生产线,但普遍对口罩用非织造布的原料、生产工艺和后处理缺乏了解。同时，大量一次性口罩的废弃会增加社会环保压力。为此,本文结合医用口罩各类防护指标,介绍医用口罩常用非织造布原料、性能特点及后处理技术,以期为可降解多功能口罩生产和研究提供相应帮助。

1 医用口罩面料的性能指标

医用口罩主要分为一次性医用口罩、医用外科口罩和医用防护口罩3种。各种口罩使用环境不同,其防护性能如过滤效率、防溅射能力、密封性、过滤阻力等性能指标要求亦不同[1-2]。目前，这3种口罩的性能检测国家标准分别为YY/T 0969—2013《一次性使用医用口罩》[3]、YY 0469—2011《医用外科口罩》[4]和GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》[5]。

1.1 防护性能指标

口罩主要作用是阻隔外界异物如颗粒、粉尘、细菌、病毒等通过呼吸道进入人体。因此，口罩的防护性指标主要指防护阻隔异物的过滤效率，防止外部液体侵入的防溅射性能和防止口罩形状不同而引起的异物吸入的密闭性指标[2]。

1.1.1 过滤效率 过滤效率分为细菌过滤效率(BFE)和颗粒过滤效率(PFE)。BFE是指在(30±2) L/min的气体流量下口罩对(3±0.3) μm的细菌气溶胶的过滤效率，PFE是指在(30±2) L/min的气体流量下口罩对(0.075±0.2) μm粒径的非油性颗粒的过滤效率。YY/T 0969—2013《一次性使用医用口罩》、YY 0469—2011《医用外科口罩》和GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》规定：一次性使用医用口罩和医用外科口罩的BFE应不小于95%，一次性医用口罩和医用外科口罩的PFE应不小于30%。医用防护口罩在空气流量为(85±2) L/min的测试条件下,按照PFE不同划分为一、二、三级,对应的PFE分别不小于95%、99%和99.97%[3-5]。

1.1.2 防溅射性能 在医院的日常工作和手术中,医护人员会受到意外的血液和体液溅射,因此医用口罩必须有防溅射能力。医用口罩的防溅射主要指抗合成血液穿透阻力和表面抗湿性。按使用环境不同,国标对这3种口罩的防溅射性能要求各不相同。对于一次性医用口罩无明确要求。对于医用外科口罩和医用防护口罩,分别要求表面张力为(0.04±0.002) N/m的2 mL合成血液以16.0 kPa(120 mmHg)和10.7 kPa(80 mmHg)压力喷向口罩外侧面后,2种口罩内侧面不应出现渗透。医用防护口罩要求外表面沾水等级应不低于GB/T 4745—1997中3级的规定[3-5]。

1.1.3 密封性能要求 良好的密合性可以防止病菌从口罩与脸的空隙处侵入呼吸道,是医用口罩发挥防护性能的前提条件。3个标准[3-5]中指出,一次性医用口罩和医用外科口罩需能罩住佩戴者的口鼻至下颚,最大偏差不应超过5 %,但医用防护口罩要求非常优异的密合性,需要有80 %以上的受试者达到适合因数要求,方才符合生产要求。

1.2 舒适性指标

口罩高防护阻隔性同时会带来一定呼吸阻力,国家标准对3种医用口罩舒适性指标规定采用压力差和通气阻力表征。国标要求一次性医用口罩和医用外科口罩在(8±0.2) L/min的气体流量下,口罩两侧面进行气体交换的压力差应不大于49 Pa/cm2，而医用防护口罩则要求在85 L/min气体流量下通气阻力不超过343.2 Pa(35 mmH2O)[3-5]。

2 医用非织造口罩原料

医用非织造口罩主要原料为热塑性聚合物制备的纺黏布和熔喷布,但随着一次性口罩使用量剧增,此类口罩会加重后期处理的环保压力大，且存在吸湿性、舒适性差等缺点。例如，长时间使用后口罩鼻梁条容易损伤医护人员鼻梁。

2.1 常用基础原料及特点

目前,常用口罩面料的基础原料为聚丙烯(PP)母粒,它具有密度小、易光降解等优点。聚丙烯非织造布达到一定使用时长后,大分子链可光降解断裂,适用于一次性使用的口罩材料,可减少环境污染。而聚酯纤维具有强力高、耐光性能好等优点,其高卷曲中空短纤维可用于插层熔喷,提高口罩的容尘量,减小口罩过滤阻力。

此外,改性的基础原料亦可提高口罩防护性。一种方法是采用改性PP或将PP与功能性母粒共混纺丝。如MIYAZAKI K等[6]采用微胶囊技术,将以降解剂为芯材的微胶囊均匀地黏附在纤维表面,用于制备可降解无纺布。还有将可控降解剂或纳米级光敏材料粉体,加入PP聚合物中进行共混熔喷纺丝,生产的熔喷布具有可控光-生物双降解性[7]。亦可将抗菌剂(一般含量为5%～20 %)混入纺丝母粒中,共混纺丝后可制得抗菌无纺布。

2.2 可降解纤维原料

随着一次性医用口罩使用量的急速增加,大量口罩废弃后如不能及时降解,会造成严重环境污染。为了缓解环保压力,研究人员开发了具有绿色环保、可持续发展、可生物降解的天然纤维素和生物基聚合物[8]。天然纤维素及其衍生物，如黏胶、Lyocell、Viloft、甲壳素和合成高分子，如聚乳酸(PLA)等[9]正逐渐应用于非织造布生产。研究人员以甲壳素纳米纤维和木质素为原料,聚氧乙烯(PEOx)为溶剂,采用静电纺制得可降解的纳米纤维膜。经过抗静电处理后，将膜置于高强度的纺黏布之间,制成防护性达标的口罩[10]。Reicofil公司利用美国Biax-Fiberfilm公司的专利技术,采用纤维素/NMMO/水溶液为原料，生产出可降解熔喷法非织造布[11]。

为进一步适应环保要求,中国台湾及欧美等国家或地区已广泛采用生物基聚合物，如生物基聚乙烯(PE)、生物基涤纶、生物基丙纶等生产可降解环保型纺黏布和熔喷布。其中生物基PE产量约占生物塑料28 %市场份额,已经成功应用于非织造领域。巴西Braskem公司,使用100 %可再生的生物基PE和PLA为芯层，PE为外层制成了Fitesa EcoFabric纤维。此纤维结合了PE的柔软性和PLA的高强度,且具有可降解性,有望成为医用非织造口罩的表层面料[12]。

2.3 弹性原料

密闭性良好的口罩,可以有效阻隔外界异物，同时还有效地避免佩戴者呼出飞沫对他人造成威胁。以弹性聚合物为原料，生产出口罩用弹性非织造布,可提高口罩与面部的贴合度,在不使用鼻梁条的情况下提高口罩的密闭性,从而避免医护人员在长期佩戴口罩过程因鼻梁条造成的皮肤损伤。Idemitsu Kosan公司以丙烯和丁烯为原料,开发了一种新型的弹性聚烯烃LMPO；美国Exxon Mobil Chemical公司开发了牌号为VM2320和VM2330的特种弹性体Vistamaxx，可直接用熔喷法生产弹性布[13]。热塑性聚氨酯(TPU)[14]等亦可用于生产弹性非织造布。目前，弹性非织布已用于纸尿裤、面膜、口罩耳带等产品中，如能采用弹性非织布制备口罩,不仅有望提高口罩的密闭性,甚至还可以省去鼻梁条。

3 常用生产技术

3.1 静电驻极熔喷布

熔喷布是医用口罩材料中最重要的过滤材料。其生产原理是借助高速热气流或其他手段(例如离心力、静电力等)使高聚物熔体迅速高倍拉伸，固化成超细的短纤维,集聚到网帘或滚筒上制成。熔喷布多由0.5～4 μm聚丙烯(PP)超细纤维随机分布而成,具有孔隙小、孔隙率高、过滤效率高、单位体积质量小，生产流程短等特点。但因制备过程中纤维未经较长牵伸,熔喷布强度和耐磨性较低[15],无法单独承受强外力，使其制备的口罩易被外力破坏而失去防护能力。

由超细纤维自身热黏合而成的熔喷布,结构紧密、过滤效率高，同时过滤阻力也随之增大，容尘量相应减小。为此,美国3M公司开发了插层熔喷技术。如图1所示,将刚度大、弹性高的高卷曲PBT中空短纤维吹入传统聚丙烯熔喷纺丝的初生纤维中,可制得容尘量高、过滤阻力小、抗压缩和弹性回复性高的工业用口罩材料。同时，颗粒通过此材料的路程曲折变长,增加了拦截作用,使得插层熔喷布对颗粒的阻隔效果显著提高。

图 1 插层熔喷技术示意图

经静电驻极处理后的熔喷布,可在不增加过滤阻力情况下提高过滤效率。静电驻极技术可通过电晕充电、光极化、热极化、水驻极等加工方法使纤维带有静电荷,又利用熔喷布中纤维的紧密结构,使纤维间形成大量电极。在静电的作用下,自动吸附空气中大部分微粒。有检测报告证明,静电驻极处理后的熔喷非织造布对空气中0.3 μm微尘粒子的过滤效率可高达99 %以上,对有害颗粒和大多数细菌均起到很好的防护作用。驻极熔喷布中的静电荷会形成表面静电场,在一定湿度下产生微电流。电流会刺激细菌,破坏细菌的遗传物质、外壁、表面结构等，通过破坏细胞膜内外的生物驻极态,产生抑菌杀菌的效果。但日常环境中存在的外界水和油性颗粒易使驻极体产生静电散逸,所以驻极体熔喷布制成的口罩使用环境有一定局限性[16]。

3.2 纺黏法非织造布

纺黏布在医用口罩中常用作表层和里层材料。其生产原理是将高聚物母粒或切片熔融纺丝，经牵伸和分丝后铺叠成网,再热轧成布。由于纺黏布为无限长丝直接铺网而成,且在纺丝过程中长丝受过充分牵伸,比较于其他口罩材料相对强度更高。在单位面积质量较低的情况下,具有较高承受强度[17]。分丝可避免初生纤维粘连成不透气硬膜,使其具有纺织品的柔软性和透气性，而热轧处理使其获得一定防水性。目前，国产设备生产纺黏布的速度为200～350 m/min,引进设备的生产速度可达400～800 m/min,最高可达1 200 m/min,所以纺黏布成本相对较低,适用于一次性口罩。

由于纺黏布比熔喷布纤维粗(直径为15～25 μm,相当于1.4～4.0 dtex),纤维之间产生的孔隙远大于熔喷布,所以纺黏布不宜单独作为口罩材料使用。但其强力高,可作为熔喷布的补强材料与熔喷布复合使用。

为了改善纺黏布阻隔性能,德国Freudenberg(科德宝)公司发明了双组分纺黏水刺技术[15]。该技术利用中空橘瓣型纺丝组件,将熔体纺成长丝后,再利用高压水刺开纤固网,开纤率可以达到70 %以上,其工艺流程如图2所示。

图 2 双组份纺黏水刺工艺流程

经过水刺开纤的纤维线密度可达0.08 dtex,截面为扇形,比表面积大于常规圆形截面纤维。用作医用非织造口罩材料时,能阻隔一定量的微生物，具有吸湿透气性好，过滤阻力低等优良性能[18-19]。

3.3 SMS复合非织造布

若将纺黏布复合在熔喷布两侧,构成SMS三明治结构,可使两者相得益彰。其表层(S-纺黏层)决定了手感与强度,其内层(M-熔喷层)提高了屏蔽阻隔和过滤性能。采用多种细度的纤维组成SMS非织造材料,可进一步提高其舒适性、柔软性和高屏蔽性。中间增加1～2层熔喷层,可明显增加材料过滤效率,满足医用外科口罩过滤性能要求,但同时也会相应增加呼吸阻力。

目前,熔喷层和纺黏层复合有3种方式,分别为在线复合、离线复合和一步半法。其中离线复合产品透气、透湿性能稍差；在线复合产品成本较高；一步半法避免了以上问题,效率高、灵活性大,可根据生产需要随机调整以满足客户不同需求[20]。

3.4 短纤维物理缠结非织造布

除了采用化纤纺丝原理制成的非织造布,物理缠结法制成的非织造布，如针刺布和水刺布,也可用于口罩面料。针刺布生产原理是利用棱边带钩刺的刺针对纤网进行反复穿刺,纤维在纤网中产生层间位移相互摩擦抱合,加固成具有一定强力和厚度的无纺布；水刺布是用高速的水射流代替了传统的刺针(如图3),对纤网正反面进行冲击,促使纤维多方向缠结抱合,加固成布。

图 3 水刺加固示意图

在非织造口罩中,针刺布常用作粗滤材料或拱形口罩骨架支撑材料。针刺布的孔隙通道为蛛网结构,具有一定强度,但因为是短纤成网,阻隔性能不如纺黏布和熔喷布。目前，非织造口罩主要以针刺布+熔喷布+针刺布的形式制作。通常由100 %聚酯针刺布,或聚丙烯醇和聚酯纤维按照50/50混纺针刺布做表层和内层,再将驻极聚丙烯熔喷布置于其间[21],即形成口罩主体部分。在制作拱形口罩时,针刺布可在模压成型后做内层骨架材料,既支撑口罩成型,又具有一定过滤效率。水刺布适合做口罩里层材料,如全棉水刺布,柔软亲肤、吸湿透气、不掉毛,不仅不会发生绒毛进入呼吸道现象,还可吸收面部汗液,是性能优良的口罩里层亲肤材料。

4 后处理技术

4.1 抗菌技术

MAJCHRZYCKA K等研究[22]表明,微生物在传统医用非织造口罩材料,如纺黏布、熔喷布、针刺布上的存活能力与非织造布种类无关,而与其自身品种有关。提高材料抗菌能力主要从纤维原料和后整理2个方面着手。目前,通常采用后处理方法提高医用口罩抗菌性能,如采用抗菌剂或抗菌微胶囊等对基布进行抗菌处理[23]。贾芳等[24]用天然抗菌剂壳聚糖对非织造材料做后整理,利用壳聚糖的阳电荷性,破坏细菌蛋白质,使其失活。相同抗菌机理的抗菌剂还有改性季铵盐抗菌剂等。此外，可采用微胶囊技术,将抗菌物质制成球状微胶囊,对口罩无纺布进行抗菌处理[25],从而提高医用非织造口罩的抗菌性。

4.2 防溅射技术

医用防护口罩和医用外科口罩需有一定防溅射性能。纤维越细,口罩材料孔隙越小,抗血液渗透能力越强,但透气性会下降[26]。因此，在实际防溅射整理中,需平衡透气性和拒液性。防溅射处理包括拒水、拒油、拒酒精、拒血液、拒体液等[27]，防溅射整理常用的整理剂有氟碳化合物和C8氟系整理剂。经整理后的材料呈现良好的拒水、拒油和抗污效果,但C8氟系整理剂会产生对人体有害的物质。目前,无氟整理剂是发展趋势。齐国瑞[28]等采用RUCO-DRY ECO无氟拒水整理剂，通过喷雾装置对低面密度的水刺布进行整理后,得到了单面导湿的面层卫生材料,有望用于口罩面料。

5 结 语

综上所述,驻极熔喷布可满足口罩材料过滤性能要求,是当前最常用的医用非织造口罩材料，但因其强度低,需与其他材料复合使用。常用补强材料有纺黏布、针刺布和水刺布。随着人们对公共卫生逐渐重视,对医用口罩需求量越来越大,对其性能要求也越来越高。采用先进的原料、先进工艺及新型后整理技术,可赋予医用非织造口罩材料更多功能和高附加值;采用可降解非织造布制作口罩,亦可降低环保压力。不过，由于驻极熔喷布的使用存在一定局限性,今后可开发纳米纤维膜做口罩过滤层,从而提高口罩的舒适性、防护性和可重复使用性。