石墨烯纤维抗病毒口罩面料的开发与实践*

曾语晴

（陕西工业职业技术学院, 陕西咸阳712000)

1 概述

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子按照六边形排布，相互连接，而形成的一个碳分子，具有稳定的二维结构，随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.34 纳米，相当于一根头发的20 万分之一，是目前最薄的一种材料。具有极高的比表面积、超强的导热、导电性能和强度，其导热系数高达5300W/（m·K）,常温下电子迁移率超过1500cm/（V·s）,电阻率只有100Ω·cm。比银和铜更低。故石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电、导热性能最强的新型二维纳米材料，被称之为“新材料之王”。

石墨烯纤维是以普通粘胶纺丝原液为基体［1］，将可溶性石墨烯分散液溶解到基体中，通过喷丝法制备的，既具有一般纤维的可纺性能，又具有石墨烯的特殊性能，几种常见纤维纵向切片结构比较如图1 所示。

图1 几种常见纤维纵向切片结构比较图Fig.1 Comparison of longitudinal slice structure of several common fiber

由图1 可知，普通的粘胶纤维具有一般的扁平带结构，添加了石墨烯的粘胶纤维有明显的小黑点或者有沟糟［2］，石墨烯纤维具有独特的二维蜂窝状平面结构，这种结构决定了其独特的性能。

2 几种常见的纤维与石墨烯纤维性能比较

取相同特数的棉纤维、竹浆纤维、涤纶纤维、粘胶纤维和添加一定量的粘胶/石墨烯纤维，测试分析其物理、力学及抗菌性能，结果见表1。

由表1 可知，天然的棉纤维在强度方面不及化学纤维、导电性能介于石墨烯纤维和化学纤维之间、抑菌性能较差，化学纤维具有强度高、导电性能差、抑菌性能较优的特点，石墨烯纤维具有强度高、导电性能好、抑菌性能优的特点，是未来可替代天然纤维和化学纤维的最佳的材料。

表1 石墨烯纤维与几种常见纤维的性能比较Table 1 Performance comparison of graphene fibers and several common fibers

3 石墨烯无纺面料的制备

选用粘胶基石墨烯纤维的技术指标如下: 平均细度1.83dtex；平均长度44.8mm；断裂强度干态4.05 cN/dtex，湿态4.52cN/dtex；断裂强度变异系数45.16%，断裂伸长率5.8%，断裂伸长率变异系数23.4%，初始模量145.13cN/dtex，回潮率4.23%。

在NK-GW2012A 无纺布机上，采用纺粘无纺布生产工艺，一次性制作石墨烯无纺口罩用面料。

4 几种常见口罩工作原理

4.1 棉布口罩

棉布口罩适合冬天佩戴，透气性好，主要用于防冻，可阻挡较大的颗粒物，对雾霾、病毒和细菌没有防护作用，可水洗反复使用。

4.2 一次性口罩

这一类口罩共同点是不能水洗，可反复使用，但连续佩戴时间不超过4h，时间久了以后，过滤效果降低。按照使用的环境和功能分为：医用的防护无纺布口罩、医用的外科无纺布口罩和医用普通口罩。

（1）医用的防护无纺布口罩

作用原理利用织物表面一层致密的树脂膜来阻挡颗粒物，水洗后，破坏了树脂膜而完全失去保护作用。医用防护口罩的重要技术指标符合《医用防护口罩技术要求》（GB 19083-2010）：颗粒过滤效率＞95%，阻挡经直径＜5μ m 的病原微生生物或近距离接触经飞沫传播感染性颗粒。吸气阻力＜343.2Pa，即医用防护口罩可以阻止大部分细菌、病毒等病原体。适用于接触呼吸道传染病患者时或在呼吸道传染病传播的高危区域工作的医护人员，如发热门诊、呼吸科门诊医护人员应佩戴医用防护口罩［3］。

（2）医用的外科无纺布口罩

作用原理同上，主要技术指标符合《医用外科口罩技术要求》（YY 0469-2011）标准，颗粒过滤效率＞30%；细菌过滤效率＞95%，吸气阻力＜49Pa；相比医用防护口罩，医用外科口罩可以阻挡大部分细菌和一部分病毒。适用于人员相对密集的场所，如门诊、急诊、导医台等工作人员的防护以及呼吸道传染病患者。

（3）医用普通口罩

普通医用口罩技术指标符合相关注册产品标准，一般缺少对颗粒和细菌的过滤效率要求，对致病性微生物的防护作用不确切。可用于普通环境下的一般性医疗活动（如探望病人等）或者阻隔花粉、粉尘等预防过敏。

4.3 N95、KN95 口罩

作用原理是依靠静电来吸附细颗粒物（包括细菌和病毒），具有密闭性好、透气性差的特点，可通过添加呼吸阀来减少呼吸的阻力，一般可佩戴7 天。N95 并不是型号，也不是特定的产品名称，指的是符合“N95 标准（国内称KN95）”的口罩。N95 型口罩，是NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所）认证的9 种防颗粒物口罩中的一种。"N" 的意思是非油性的颗粒；"95" 是指，在NIOSH 标准规定的检测条件下，过滤效率达到95%。只要符合N95 标准，并且通过NIOSH 审查的产品就可以称为“N95 型口罩”。这个是美国的标准，全世界认可度最高。国内的是KN95，其实也是N95 一样的检测手法。最新防尘口罩标准对防尘过滤效率级别有明确分类，半面罩有N90（防护效率90%）、N95（防护效率95%）、N100（防护效率99.97%以上）三个过滤级别。因此防尘口罩标准为N100 的最安全［4］。

N95 口罩是我们常见的一种防护口罩，对PM2.5 的过滤效果可达99.5%，对微粒直径是小于0.1 微米的极细小细菌和病毒，过滤效果也能达到95%以上［5］。

4.4 石墨烯口罩

利用石墨烯独特的网状结构和极高的比表面积来吸附过滤颗粒、细菌和病毒，由于采用非静电吸附，符合NIOSH 标准规定，能有效防止冠状病毒，对PM2.5 过滤效率达99.6%。具有以下特点：

（1）不怕水

一次性口罩包括N95 其作用原理是利用静电吸附技术，颗粒物通过时会因为库仑力的作用被“捕获”在静电纤维上，所以这种口罩比较怕水，在佩戴一段时间之后随着呼吸会产生水汽，静电就被中和掉了，这时口罩就失去了防护作用。而石墨烯的口罩是一款不怕水的口罩，这是因为石墨烯是由一种稳定和紧密立体的碳结构组成，具有超强的吸附力，可以将病毒、颗粒牢牢地“困住”，而空气能顺畅地通过。

（2）过滤效果好

石墨烯纤维一方面具有优良的抗菌性，其抗菌机理是石墨烯纤维与细菌的细胞膜之间作用力很强，能切割细菌的细胞膜，并大量抽取细胞膜上的磷脂分子，另一面石墨烯独特的碳原子结构和原子排列方式与空气的接触面非常的大，空气需要在石墨烯结构内绕道跑很多圈才能出来，能有效阻挡只有0.1μm 的细菌和病毒，对PM2.5 的过滤效果可达95%，对微粒直径小于0.1μm的极细小细菌和病毒，过滤效果也能达到97%以上。

5 结语

石墨烯是一种由碳原子组成的二维纳米材料，具有优良的光学、电学、力学特性、热性能和较高的比表面积的新型碳材料。采用多层石墨烯无纺布滤芯制作的新型石墨烯口罩，具有超强的物理隔尘，对PM2.5、细菌和病毒的隔绝功能，抗菌性能达97% 以上，耐水洗，使用周期长，性价比高，其性能超越目前市场上的N95 口罩。