可重复使用防护口罩的制备与性能评估

汪泽幸 吴桂林 吴 璠 何 斌 陈小英

（1.湖南工程学院，湖南湘潭，411104；2.深圳市微纳先材科技有限公司，广东深圳，518035；3.东莞健贤纺织品科技有限公司，广东东莞，523916）

目前，口罩多采用聚丙烯（PP）纺黏无纺布和熔喷无纺布制备而成，其主要依靠熔喷无纺布所带静电产生的吸附作用而实现高效过滤效果，但其静电效应受环境温度、湿度、时间等因素的影响［1⁃2］，防护效果失效难以判定。此外，现有口罩多为一次性，且不可自然降解，对环境的危害性极高。疫情防控期间，为缓解口罩供应紧张局面和降低环境压力，众多学者在一次性口罩的可重复利用方法以及可重复使用口罩制备等方面进行了有益的探索。对于一次性口罩，可根据过滤材质类型选用干热消毒、热水浸泡、酒精浸泡或喷洒、84消毒液浸泡、微波消毒、紫外消毒、射线辐照消毒或环氧乙烷灭菌法等方式对口罩进行消毒再生［3⁃5］。但考虑到PP熔喷无纺布的机械性能以及消毒方式对静电荷性能的影响，现有以PP熔喷无纺布为核心过滤层的口罩并不适宜采用直接水洗或酒精消毒［6⁃7］。此外，现有口罩多采用纯铝或铁芯鼻梁条，因微波会在金属中产生涡流，产生大量的热量，可能导致金属熔化，造成口罩损坏，甚至产生火花或爆炸，因而采用含金属材质鼻梁条的口罩，亦不适宜采用微波消毒。

在可重复使用口罩方面，采用聚四氟乙烯覆膜材料为核心过滤层的防护口罩，经3次沸水浸泡后，其过滤效率下降15%左右［8］；而采用膨体聚四氟乙烯膜制备的口罩，经3种消毒方式（沸水煮、75%酒精和84消毒液）整体消毒20次后，其过滤效率依然保持在95%以上。但现有研究均未能考虑消毒流程对口罩呼吸阻力的影响，亦未考虑核心过滤材料和面层面料的耐洗涤性能。

在佩戴过程中，口罩与皮肤接触等部位易脏污、滋生细菌，影响卫生；微细颗粒物的沉积亦会导致口罩的过滤阻力增加，影响佩戴舒适性。现有消毒方式主要考虑对口罩表面残留细菌或者病毒的杀灭作用和对过滤效率的影响，无法有效去除口罩表面脏污和沉积的微细颗粒物。对于可重复使用口罩，不仅需要关注消毒方式对口罩防护性能和呼吸阻力的变化，还需考虑其耐洗涤性能。

本研究基于静电纺丝制备的聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜与机织物面料制备防护口罩，对其视野、死腔、呼吸阻力、过滤效率、总泄漏率等性能指标进行测试和分析，以评估所制备口罩的防护效果和舒适性；对洗涤后防护口罩的呼吸阻力和过滤效率进行测试，以评估其耐洗涤性能。

1 样品制备与性能测试

1.1 试验材料

考虑到耐用性，选用单位面积质量为150 g/m2的涤/棉90/10机织物为外层面料，单位面积质量为125 g/m2的棉/麻90/10机织物为内层面料，单位面积质量为4 g/m2的静电纺丝PI纳米纤维膜为过滤层（江西先材纳米纤维科技有限公司提供）。考虑到防护口罩需具有一定的刚度，以确保呼吸过程中，防护口罩内表面不与面部、口鼻直接接触，并形成一定体积的腔体，增加有效透气面积，选用单位面积质量为28 g/m2的纯涤纶经编网布为支撑层。

1.2 样品制备

1.2.1 复合面料制备

PI纳米纤维膜单位面积质量较低、纳米纤维表面能较高且静电现象明显，易黏手，不便于后续加工。此外，PI纳米纤维膜因在制备过程中历经单向牵伸作用，其双向拉伸力学性能差异显著，由其制备的防护口罩在使用和洗涤过程中，在外力作用下易产生撕破现象，导致防护性能降低或失效。

基于此，采用湿气固化反应型聚氨酯（Poly⁃urethane Reactive，PUR）热熔胶点黏合方式制备外层用涤棉织物/PI纳米纤维膜复合面料和内层用经编网布/棉麻织物复合面料。为兼顾防护口罩的透气性和耐用性，PUR热熔胶上胶量控制在18 g/m2～20 g/m2范围内。

1.2.2 防护口罩样品制备

为确保防护效果，并提高有效过滤面积，使用对称折叠结构形式在口鼻处形成空腔，并可确保防护口罩与鼻梁、下巴部位具有良好的吻合性。考虑到现有鼻梁条耐折性较差、可塑性不强，无法确保口罩与鼻梁处的密封性，故在防护口罩制备过程中，选用耐折性好、可塑性强的特种合金材料制备的专用鼻梁条，以确保防护口罩与鼻梁处具有较好的密封性。防护口罩结构示意图见图1。防护口罩样品由东莞健贤纺织品科技有限公司采用缝纫法制备而成。

图1 防护口罩结构示意图

1.3 性能测试

样品制备前，依据GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》，委托中国纺织工业联合会检测中心（东莞）根据GB/T 7573—2009《纺织品 水萃取液p H值的测定》、GB/T 2912.1—2009《纺织品 甲醛的测定 第1部分：游离和水解的甲醛（水萃取法）》和GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》分别对涤棉织物、棉麻织物的p H值、甲醛含量与摩擦色牢度进行测试。此外，亦依据GB/T 17592—2011《纺织品禁用偶氮类染料的测定》，对可分解致癌芳香胺染料的含量进行测定。

样品制备完成后，依据GB 2626—2019《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》，委托江苏国健检测技术有限公司对防护口罩样品的外观进行检查，对呼吸阻力、死腔、视野、过滤效率、总泄漏率进行测试；按GB/T 8629—2017《纺织品试验用家庭洗涤和干燥程度》对防护口罩进行50次洗涤和干燥，并依据GB 2626—2019对洗涤后的防护口罩过滤效率、呼吸阻力进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 材料安全性

检测发现，外层涤棉织物与内层棉麻织物的pH值分别为6.3和7.1，干摩擦色牢度分别为4—5级和4级，甲醛与可分解致癌类芳香胺染料均未检出，且均无异味，符合A类纺织品（婴幼儿纺织品）的安全技术要求。

2.2 防护口罩性能

2.2.1 外观质量

检测显示，防护口罩样品表面无破损、变形或明显的其他缺陷，能耐受正常使用条件和可能遇到的温度、湿度和机械冲击；经温湿度预处理和机械预处理后，样品各部件未出现脱落、损坏和变形。表明所制备的防护口罩在外观质量方面满足要求。

2.2.2 死腔与视野

为增加有效过滤面积，降低呼吸阻力，通常将口罩前部设计成拱形［9］，从而在口鼻处形成一定空间的腔体。腔体过小，会导致呼吸过程中口罩贴近脸部，影响佩戴舒适性能；腔体过大，虽可显著提高防护口罩的有效过滤面积，但会过度降低口罩视野，直接影响佩戴者对环境的观察能力，影响正常的活动，在某些特殊危险环境下，佩戴口罩后视野太小可能会导致工作上的失误甚至会造成生命危险。为确保佩戴口罩后依然具有良好的观察能力，GB 2626—2019要求佩戴防护口罩后，下方视野不低于35°，双目视野不低于65%。此外，腔体过大时，因呼出的CO2气体无法与外界进行有效交换，导致口罩内CO2气体浓度增加，当CO2气体体积分数超过2%时，将出现呼吸性障碍［10］。为确保呼吸舒适，GB 2626—2019亦要求死腔不大于1%，即前一次呼气中被重新吸入的CO2气体的体积分数不超过1%。设计防护口罩时，腔体的大小应兼顾呼吸阻力、视野和死腔因素。

经检测，制备的防护口罩下方视野为72.2°，为国家标准下限值的2.07倍；双目视野为86.3%，为国家标准下限值的1.32倍；死腔为0.65%，为国家标准上限值的0.65倍。表明所制备的防护口罩结构设计合理，不仅具有高视野，同时还兼具较低的死腔。

2.2.3 呼吸阻力、过滤效率与总泄漏率

口罩的主要作用为预防因吸入性致病或有害颗粒物而导致各种呼吸道疾病，其主要借助过滤材料将致病或有害颗粒物从空气中过滤，高过滤效率是确保口罩具有良好防护效果的前提，但高过滤效率通常会导致呼吸阻力过高。

呼吸阻力是衡量佩戴口罩时呼吸通畅度的指标，呼吸阻力越小则呼吸越通畅，呼吸阻力过大则易引起呼吸疲劳［11］。对于防护口罩，呼吸阻力不仅与过滤材料的透气性能密切相关，同时受到有效过滤面积的影响，与口罩外形设计相关。为确保呼吸通畅，在防护口罩设计和制作时，亦需考虑佩戴口罩时的呼吸阻力。

因空气中悬浮的微粒极其微小，且会随空气流动，当口罩与面部之间存在缝隙时，因缝隙处气流阻力远低于过滤材料，气流会优先流向低气流阻力的缝隙处，导致空气中致病或有害颗粒物未经过滤材料直接进入口罩内部，严重影响防护效果或导致防护失效，因而密合性是确保防护口罩具有良好过滤性能的关键。故还需通过口罩外形设计，借助鼻梁条，使防护口罩与面部紧密贴合。

依据GB 2626—2019，所制备的防护口罩呼吸阻力与过滤效率测试值如下。

可以看出，预处理前后防护口罩的吸气阻力均低于110 Pa，呼气阻力均未超过85 Pa，且过滤效率超过99%，表明所制备的防护口罩其呼吸阻力和过滤效率均超过KN 95级防护口罩的技术要求（吸气阻力≤210 Pa，呼气阻力≤210 Pa，过滤效率≥95%）。

依据GB 2626—2019，所制备的防护口罩总泄漏率（Total Inward Leakage，TIL）测试结果见表1。表1中D1～D5表示5种按时间要求顺序完成的规定动作。D1为头部静止、不说话，2 min；D2为左右转动头部看检测仓的左右墙壁（大约15次），2 min；D3为抬头或低头看检测仓的顶部和底部（大约15次），2 min；D4为大声阅读一段文字（如数数字）或大声说话，2 min；D5为头部静止、不说话，2 min。10名受试者中1～5为佩戴口罩未处理样，6～10为佩戴口罩预处理样。

从表1中可以看出，以每个动作的总泄漏率为评价基础时，10名受试者每人5个动作共计50个动作中TIL最大值为9.6%；以每人的总体TIL为评价基础时，10个受试者的TIL均未超过7.3%。结果表明所制备的防护口罩TIL超过GB 2626—2019对KN 95级防护口罩的要求（每个动作的TIL小于11%，受试者的总体TIL小于8%），其与面部之间的气密性较好，制备工艺与各层面料选用合理。

表1 总泄漏率检测结果

2.3 可重复使用性能

按GB/T 8626—2017标准中4H程序洗涤50次后，防护口罩外形无明显变化，表明其结构稳定性较好，故而仅对洗涤后样品的过滤效率和呼吸阻力进行检测，检测结果如下。

可以看出，历经50次洗涤后，防护口罩预处理前后的过滤效率依然超过92%，吸气阻力均低于98 Pa，呼气阻力均低于79 Pa。过滤效率与呼吸阻力性能指标均优于KN 90级防护口罩的技术要求（吸气阻力≤170 Pa，呼气阻力≤170 Pa，过滤效率≥90%）。

经对比，洗涤后的防护口罩过滤效率下降约7%，吸气阻力和呼气阻力也均有下降，呼吸通透性提高。这主要是因为洗涤后，PI纳米纤维膜表面存在磨损现象，由磨损部位材料变薄所致。

3 结语

本研究以PI纳米纤维膜为过滤层，采用缝纫法制备可重复使用防护口罩，依据GB 2626—2019对其关键性能指标进行了测试和评估。测试结果表明，所制备的防护口罩具有视野范围大、死腔小、过滤效率高、呼吸阻力低以及总泄漏率低等优点，各项性能均超过KN 95级防护口罩的技术要求。50次洗涤后，防护口罩过滤效率与呼吸阻力有所下降，但过滤效率与呼吸阻力性能指标均优于KN 90级防护口罩的技术要求，表明PI纳米纤维膜耐洗涤，过滤效率与透气性能稳定，可作为重复使用防护口罩过滤材料使用。但研究中也发现，洗涤后防护口罩过滤效率有所降低，主要是由于PI纳米纤维膜表面耐磨性能不足所致，因而在PI纳米纤维膜表面改性与复合工艺方面还需做进一步研究。