国内外防护用口罩进展分析

殷晓晴,任凌芸,姜雅雯,于雅静,顾书政,徐 阳

(江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡214122)

目前,我们使用的大多数防护口罩原料为非织造材料, 具有结构孔径小、孔隙率高、过滤效率高、价格低等优点,因此使用范围广泛[1]。近年来,尤其是新冠疫情爆发后,口罩使用量和原料消耗量剧增,增加了对环境的负担,市场也对口罩的过滤性能和佩戴舒适度等提出了更高的要求。随着疫情防控常态化,口罩成为必备日常用品,消费者增加了对口罩多功能性的需求。高效的性能要求也推动着现代防护用口罩非织造材料在原料和技术方面的不断探索和改进,开发更加环保高效的纤维原料和更加成熟稳定的技术将是大势所趋[2]。

1 口罩重复利用

普通的医用口罩走正常医疗废物处理程序即可,但在后疫情时代,口罩成为使用量极大的日常用品,即使有专用的口罩回收垃圾桶,后续处理也还未规范。联合国环境署曾表示,根据历史经验,将有75%的废弃口罩进入填埋场或海洋,这不仅会造成环境污染,也会给旅游业和渔业等相关产业带来约400亿美元的经济损失。据海洋保护组织Oceans Asia发布的最新报告,2020年,至少有15.6亿个口罩流入海洋。一次性口罩不可降解,需要400多年才能完全分解,还有可能传播病毒。

1.1 口罩耐洗性研究

目前防护用口罩大多使用的是非织造材料,通过静电作用吸附病毒和微小颗粒物质,水洗后静电效果减弱,达不到防护的作用,所以口罩的耐洗性研究被认为是无稽之谈。但从资源再利用的角度来看,口罩的可水洗性研究极具突破性意义。

山东追信数字科技有限公司的张信敏[3]使用成体艾草青绿茎杆、含硅酸钠溶质10%的泡花碱水溶液、黄腐酸粉末、四氧二铁酸钴、毛竹、质量分数8%和10%的硝酸锡溶液、溶质质量浓度8%和10%的柠檬酸锑溶液、纳米二氧化钛粉末、质量分数20%的泡花碱溶液为原料,经植物纤维制取、纤维羟化编纺成布、纤维布酸化和表面凝胶化吹孔处理,制成了一种可以被多次杀菌消毒仍保持原有性质且耐高温的纤维层,即水洗之后仍保持较高的过滤性能。将该纤维层作为口罩的过滤层,可以制造出抗菌性能良好、可循环使用的口罩。此外,由于银离子可直接破坏病毒的形态结构,当病毒失去活性后,银离子能够继续保持破坏病毒结构,继续进行抗菌,因此,杨力平[4]利用这种特性,制备出一种滤芯,载银离子量为0.01~0.05 mg/c m2,厚度为1~8 mm,两面有针刺PET纤维加固,超声洗50次载银基本无脱落,多次水洗消毒后使用不降低对病原微生物灭活功效,本滤芯经SGS检测,无毒、无味、无副作用、无耐药性、抗药性,能在5~20 min使病毒失活,可灭菌达650多种,使口罩滤芯粘附的病毒无变异,不成为二次污染源。

1.2 延长口罩使用时间

防护用口罩的耐洗性研究仍然处于实验室阶段,且不适于医护人员等特殊人群使用。提高过滤效率,延长口罩的使用时间是目前应用最广泛的重复利用口罩的方法,可以有效减少资源浪费。孙晔等[5]将改性熔喷聚丙烯纤维作为材料的基体,以喷涂共混的方式加入纳米级二氧化硅、二氧化钛以及电气石混合粉体,制备得到了复合型二氧化硅气凝胶改性熔喷聚丙烯杀菌防护材料,具有标准的纳米三维网络结构(纳米颗粒直径在20~50 n m,孔径直径在10~100 n m),因此具备良好的过滤性能。

东华大学刘妙峥、吴海波等[6]为延长聚丙烯(PP)熔喷材料表面静电荷的存储时间,通过有机杂化方法来提高材料存储静电荷的能力。选用聚四氟乙烯(PTFE)超微粉与PP切片以一定比例混合造粒,经熔喷成型工艺获得非织造材料,并采用外置式电晕驻极技术使材料表面带有静电荷,如图1、图2所示。试验结果显示,添加PTFE可有效提高熔喷PP非织造材料存储静电荷的能力,且当PTFE质量分数为0.1%时,材料表面静电压最高,静电荷量衰减最慢,过滤效率最高,滤效稳定性最好。

图1 电晕充电原理

图2 电晕放电驻极原理

利用静电纺丝法制备的纳米纤维空气过滤材料具有纤维直径小、纤维膜孔径小等结构特点[7],可对细微颗粒有效拦截,大大增加了材料的过滤效果[8]。提高静电纺丝纳米纤维膜的过滤效能,可以通过改变外加电压来实现。冯雪等[9]采用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,试验结果表明:PAN纺丝液质量分数为12%,纺丝电压为20 k V时,所得纤维粗细均匀,纤维膜厚度为35μm时,纤维膜过滤效率高达99.24%。Amin等[10]发现锦纶6聚合物溶液电纺膜的平均孔径和孔径分布对膜的压降和过滤性能有显著影响,可以改变静电纺丝过程中的外加电压,通过多层纳米纤维结构来控制孔的大小,优化过滤效果。程博闻等[11]以DCM为溶剂,四丁基氯化铵(TBAC)为添加剂,利用静电纺丝技术一步法制备了树枝状聚乳酸(PLA)纳米纤维膜,探讨了溶剂种类、TBAC添加量和纺丝电压对纤维膜形貌结构和性能的影响。TBAC的加入可有效提高纤维膜的亲水性,且树枝状结构中主干和枝干的协同作用可有效提高纤维膜的力学性能;此外,树枝状结构显著提高了纤维膜的过滤性能,当膜厚度为20μm时,纤维膜的过滤效率达99.89%,阻力约为96.08 Pa,具有优异的空气过滤性能。

2 口罩舒适度改良

如今,佩戴口罩成为进入公共场所的硬性要求。在密闭场所中长时间佩戴口罩会给人带来闷热潮湿、呼吸困难等感觉,而长期密不透风地佩戴口罩,皮肤会变得发红又敏感,形成“口罩脸”,尤其是皮肤敏感的儿童。此外,用于个体防护的空气过滤材料多处于人体呼吸产生的微环境中,大量呼出的水蒸气会堵塞过滤材料的孔结构,影响口罩的过滤效果。如何解决上述问题,也是人们热议的话题之一。

2.1 特殊原料

采用凉感纤维织造而成的凉感面料作为口罩的内层,可以大大降低佩戴口罩导致的空气不流通,减少人体闷热感,增加佩戴口罩的舒适性。上述提到的凉感纤维包括壳聚糖、海藻酸盐、纤维素及其衍生物、明胶、蚕丝和构成所述的凉感纤维的合成高分子材料中的至少一种,构成所述的凉感纤维的合成高分子材料包括聚酯、聚酯共聚物、聚酰胺等十几种聚合物中至少一种[12]。此外,以弹性聚合物为原料,可以生产出弹性非织造布,用其织造的口罩与目前常用的口罩相比,密闭性更好,还可以省去口罩上的鼻梁条,增加人体佩戴口罩时的舒适感。目前市面上已有许多公司开始研发关于此方面的织造技术,如Ide mitsu 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L MPO;美国Exxon Mobil Chemical公司开发了牌号为V M2320和VM2330的特种弹性体Vistamaxx,可直接用熔喷法生产弹性布。热塑性聚氨酯(TPU)等亦可用于生产弹性非织造布[13]。

2.2 防水汽处理

持续佩戴湿润的口罩会使口罩覆盖的皮肤长时间处于温暖潮湿的环境中,这时可能会出现痘痘和旺盛的油脂分泌,增加人体佩戴口罩的不适,降低口罩的防护效果。李淑芳等[14]设计了一款新型的能够防水汽的口罩,口罩的里层采用了环保吸湿的PET非织造布且布面上分布有均匀的网孔,面层上也设置均匀的轧点。以上设计不仅可以使织物更加柔软,还可以让口罩更加透气耐用,且防雾和防水汽性能提高,大大提高了佩戴口罩的舒适度。

2.3 自动调节口罩内舒适度

传统防雾霾口罩只具有单纯的防雾霾功能,冬日使用时,由于散热散湿性能较差,会造成眼镜起雾等问题。张柏洋等[15]提到了一种主动送风呼吸的新型智能口罩,其采用外部电动风机强制送风系统,能有效降低使用者的呼吸负荷,达到提升舒适性和用户体验感的目的。目前市场上大多数的智能口罩在保证外壳和滤芯舒适性的同时添加电动送风系统或排气阀等,增加透气性,减少闷湿感,从而调节口罩内的舒适度[16]。

3 口罩多功能化发展

无论是居家,还是室内外公共场所,人人都有可能接触到各种细菌、病毒,甚至是携带细菌病毒的气溶胶。目前市场上的绝大部分口罩只能阻隔细菌、病毒,不能实现真正的杀菌消毒,如果使滤材或口罩罩面材料具有一定的抗菌性能,则可以有效抑制细菌的繁殖和生存,避免细菌感染,从而降低风险。另外,阻燃、防静电、耐洗、耐氧化等性能也影响着口罩的整体性能,这就给市场提出了新的要求:开发出具有一定功能性的口罩滤材。

3.1 抗菌处理

为延长口罩的使用时间,提高口罩的抗菌效果和抗菌时间,Botel ho Cláudia M等[17]研制出了一种新型、易加工、价格低廉的具有抗菌特性的锦纶织物涂层,这种新型涂层织物可以成功用于一次性口罩,达到延长口罩有效佩戴时间的效果。韩晓浩等[18]通过制备抗菌无纺布作为口罩过滤层来制备可重复利用的口罩。具体方法是将N-羟甲基丙烯酰胺水溶液和过硫酸钾水溶液加入硝酸银水溶液进行搅拌加热反应后得到抗菌处理液,而后对熔喷无纺布进行浸渍处理。浸渍结束后取出、烘干,得到抗菌熔喷无纺布。制成的口罩抗菌效果更好,抗菌时间更长,从而提高了使用次数和使用时间,也降低了处理口罩垃圾污染的成本。经研究表明,纳米材料对医用口罩抗菌性的提升有很大帮助。北京航材院科研人员[19]在普通口罩的基础上,创新应用了新型石墨烯聚丙烯熔喷布作关键过滤层。由于石墨烯及其衍生物具有广谱抗菌抗病毒能力优异、生物相容性较好、制备工艺简单等优点,新型石墨烯口罩抗菌性更强,透气性更好。试验表明,新型石墨烯口罩的使用时间超过48 h,是传统口罩的12倍以上,且新型石墨烯口罩在连续佩戴48 h后的过滤效能仅降低4%,与周围介质隔离,进一步起到抑菌作用。广西纺源医疗科技有限公司[20]通过使口罩的中间层吸附氧化石墨烯——铜银纳米复合物以及黄芩、丁香、白术、鱼腥草等中草药液进一步提高口罩的过滤杀菌能力。东华大学刘吉娜[21]将合成纳米银溶液和水性聚氨酯乳液按不同比例混合均匀,制备出新型纳米银抗菌整理剂,再利用节能环保的紫外光(UV)固化技术将抗菌整理剂固化到聚丙烯无纺布上,使得具有抗菌性的纳米银颗粒牢固附着在织物表层,赋予织物持久长效的抗菌性。深圳君能高芯科技有限公司[22]使用两个相向叠置的由涤纶制作而成的复合保护层缝合制作口罩本体,并通过雾化器将抗病毒助剂和抗菌助剂渗透至复合保护层的纤维结构中,使得该口罩具有抗病毒抗菌功能,且该复合保护层防水透气性强,面部不容易闷汗,适合长期佩戴。

此外,随着科技进步,光触媒技术目前已经在抗菌口罩领域得以应用,其抗菌原理为:纳米级Ti O2在光照后可产生氧化能力极强的氢氧基,对细菌、真菌孢子、病原体的细胞壁、细胞膜和DNA双链等有直接破坏作用,达到抗菌效果。太仓斯迪克新材料科技有限公司[23]公开了一种含有纳米二氧化钛的纳米级光触媒功能层的医用口罩,其在上层棉纱和下层棉纱之间形成的容纳腔中填充了光触媒纳米粉末,能够实现有效杀灭细菌和病毒,除异味,防治花粉、粉尘及空调过敏,抑制传染性病毒等功能[24]。

3.2 特殊用途及无线技术应用

口罩以过滤空气为其主要作用,随着科技的发展和人民生活水平的提高,市场也对口罩提出了其他要求,功能多元化的口罩应运而生。闽江学院[25]以无纺布作为基底,将其放在等离子体清洗机中处理3 min,使无纺布表面带有负电荷,并在基底的表面制备复合层,使口罩性能趋于多功能化。其中,复合层包括依次设置的聚乙烯亚胺层、氧化锌层、聚乙烯亚胺层和氧化石墨烯层。通过上述制备方法制得的抗菌织物及口罩,不但具备抗菌效果好、安全性高、能祛除异味等优点,还具有吸附粉尘、防紫外线的功能。

随着科技发展,智能口罩不仅具有智能送风调节内部舒适度的功能,当口罩与无线技术结合时,智能口罩还可以为人们的生活带来便利。徐磊等[26]通过开发一款防霾、环保、可更换滤芯、数据显示、根据空气质量情况对高敏感人群提供医疗建议等智能功能的智能口罩得以实现“雾霾地图”的设想。该口罩通过口罩内的智能芯片,对当前环境下的雾霾指数进行检测并通过无线通讯的方式,分享该数据至应用后台,计算机再结合官方监控数据,制作出一份实时动态的雾霾地图。该雾霾地图不仅能使用户通过手机获取该地图了解当前所处环境的空气质量,同时还可以为用户提供口罩换芯提醒、空气质量最佳通行路线推荐等建议。此外,日前雷神RAZER在国际消费类电子产品展览会上推出了一款透明智能口罩,该产品不仅可以使得周围人看到佩戴者的面部表情,还具有通过内置的麦克风和音频放大器提升佩戴者的说话声音、在黑暗时灯光系统自动激活、对通风器自动紫外消毒以及支持无线充电等功能。

4 结论与展望

目前,防护用口罩的研究主要是围绕可重复利用、提高舒适度和增添附加价值等方面展开,且由于新冠肺炎疫情长久态势的冲击,口罩的可重复利用是目前大热的话题,但在市场上和业内褒贬不一。

防护用口罩的未来发展将主要围绕几点:

(1)疫情使口罩使用量剧增,在可持续发展观的推动下,口罩的可重复利用势必成为趋势,如何平衡重复使用次数和过滤效果的降低程度,是防护用口罩面临的最大难题。

(2)《儿童口罩技术规范》(GB/T 38880-2020)首次对儿童口罩的各项性能指标进行了规定,促使儿童口罩依据该标准在口罩技术层面做出改善。由于儿童的肌肤较成人敏感,儿童口罩生产企业也应针对儿童口罩舒适度指标进行优化。

(3)近年来,国家对个人安全防护的重视程度的加强以及尘肺病等职业病的发病率增长,使得专业性口罩的市场空间巨大。

(4)互联网+和5 G的高速发展使防护用口罩的智能化成为可能,比如具有通讯、发出求救信号、卫星定位等功能的智能口罩如果能够降低成本并实现量产,将成为医生、矿井工人等特殊职业人士的福音。