醫(yī)用防護(hù)口罩過(guò)濾層性能的對(duì)比與分析*

韓 旭 張寅江 楊 瑞

(1.浙江和中非織造股份有限公司，紹興，312000;2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，紹興，312000;3.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

多年前爆發(fā)的SARS以及近年來(lái)出現(xiàn)的高致病性禽流感、甲型H1N1和H7N9等流感疫情多為呼吸道傳染病。呼吸道傳染病往往通過(guò)飛沫和空氣傳播，對(duì)公眾健康和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重的威脅［1］。對(duì)某些醫(yī)院手術(shù)用平面口罩，依據(jù) GB19083—2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》，在TSI8130型過(guò)濾效率儀器上進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示過(guò)濾效率在20%以下。這種口罩僅可防塵，無(wú)法幫助醫(yī)務(wù)人員對(duì)飛沫、空氣傳播的病毒進(jìn)行有效防護(hù)［2］。非織造材料醫(yī)用防護(hù)口罩過(guò)濾層是經(jīng)高溫熔噴產(chǎn)生的超細(xì)纖維制成的過(guò)濾材料，可有效阻擋飛沫和微塵，氣流阻力適宜，無(wú)菌且具有良好的耐腐蝕性。佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩可有效阻斷病原微生物侵入人體，預(yù)防呼吸道傳染病的流行，保護(hù)人體健康安全［3-4］。

熔噴過(guò)濾層醫(yī)用防護(hù)口罩阻擋的對(duì)象是顆粒物，細(xì)菌、病毒等在空氣中并不是獨(dú)立存在的，它們需要依附在顆粒物上才能進(jìn)行宿主間的交叉?zhèn)魅荆梳t(yī)用防護(hù)口罩可阻隔微生物傳染。醫(yī)用防護(hù)口罩過(guò)濾性能的優(yōu)劣主要取決于其芯層的濾材，由于芯層復(fù)雜的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)和纖維隨機(jī)三維分布，材料中含有大量微小孔空隙，微粒圍繞纖維經(jīng)過(guò)各種類型的彎曲通道或路徑，大大增加了浮懸于流體中的顆粒產(chǎn)生碰撞而將其滯留的概率［5-6］。同時(shí)以其超細(xì)的纖維直徑、纖維三維無(wú)序結(jié)構(gòu)、工藝流程短、可回收、經(jīng)過(guò)駐極后較高的過(guò)濾效率、適宜的呼吸阻力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)普遍應(yīng)用在醫(yī)用防護(hù)口罩上，對(duì)于防止SARS和禽流感病毒的侵襲具有優(yōu)異的效果。

1 樣品制備流程和性能測(cè)試

1.1 口罩熔噴過(guò)濾層的制備

醫(yī)用防護(hù)口罩熔噴過(guò)濾層的制備流程如下：

1.2 樣品性能測(cè)試

1.2.1 過(guò)濾層厚度測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T24218.2—2009。

測(cè)試儀器：YG141N型數(shù)字式織物厚度儀。

1.2.2 過(guò)濾層表面形態(tài)測(cè)試

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡，對(duì)熔噴布表面形態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

1.2.3 過(guò)濾層纖維直徑測(cè)試

根據(jù)纖維直徑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T10685—2007，采用BEION F6型纖維細(xì)度儀對(duì)熔噴纖維平均直徑進(jìn)行測(cè)試。

1.2.4 過(guò)濾層透氣性測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T5453—1997。

測(cè)試儀器：TEXTEST FX3300型透氣測(cè)試儀。

1.2.5 過(guò)濾層面密度測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T24218.2—2009。

測(cè)試儀器：圓盤(pán)取樣機(jī)、FA2004A型電子天平。

1.2.6 過(guò)濾層過(guò)濾效率測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：GB19083—2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》。

測(cè)試儀器：TSI8130型過(guò)濾效率儀。

1.2.7 過(guò)濾層拉伸強(qiáng)度測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：FZ/T60005—1991。

測(cè)試儀器：HD026NS型電子織物強(qiáng)力儀。

1.2.8 過(guò)濾層靜電勢(shì)測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：FZ/T01042—1996《紡織材料 靜電性能靜電電壓半衰期的測(cè)定》。

測(cè)試儀器：YG401型織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀。

測(cè)試方法：采用YG401型織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀對(duì)非織造布的表面靜電勢(shì)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)3塊45 mm×60 mm的樣品進(jìn)行電暈駐極處理，駐極電壓為10 kV，駐極時(shí)間為30 s，測(cè)試探頭與試樣間的距離為15 mm，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。駐極完成后立即記錄60 s內(nèi)的表面電壓值，每5 s記錄1次數(shù)據(jù)。

1.2.9 過(guò)濾層孔徑測(cè)試

參照標(biāo)準(zhǔn)：FZ/T316—2003。測(cè)試儀器：PMI型孔徑測(cè)試儀。

2 醫(yī)用防護(hù)口罩過(guò)濾層過(guò)濾效率對(duì)比

表1為國(guó)產(chǎn)紗布口罩與熔噴過(guò)濾層進(jìn)行5次測(cè)試的平均值。在流量為85 L/min的條件下測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著紗布層數(shù)的增加，所表現(xiàn)出來(lái)的阻力從28.42 Pa增加到49.98 Pa。紗布層數(shù)增加，紗布中的微小孔徑由于纖維與纖維的疊加而變得細(xì)小;同時(shí)隨著紗布層數(shù)的增加，NaCl氣溶膠透過(guò)紗布的概率也逐漸變小。A、B、C分別代表10、20和30 g/m2三種不同面密度的熔噴過(guò)濾層，對(duì)三者進(jìn)行過(guò)濾效率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著熔噴過(guò)濾層面密度的增加，阻力逐漸增大，滲透率逐漸減小。因?yàn)殡S著面密度的增加，超細(xì)纖維疊加得更加密集，孔徑變得更加細(xì)小，故而滲透率逐漸下降，過(guò)濾效率逐漸增加。

表1 國(guó)產(chǎn)紗布口罩及過(guò)濾層的過(guò)濾效率

對(duì)紗布口罩與熔噴過(guò)濾層材料進(jìn)行對(duì)比分析，在相同測(cè)試條件下，紗布層數(shù)越多，紗布口罩的呼吸阻力越大，到20層時(shí)其呼吸阻力接近熔噴過(guò)濾層材料，但這都在合理安全的范圍內(nèi)，不影響人佩戴時(shí)的呼吸舒暢狀況。與呼吸阻力變化類似，隨著紗布層數(shù)的增加，紗布口罩的過(guò)濾效率逐漸增大，到20層時(shí)紗布口罩的過(guò)濾效率與單層的熔噴過(guò)濾層材料接近。

唐世君等［2］采用熔噴和駐極加工工藝生產(chǎn)的超微細(xì)纖維濾料所制成的“非典”防護(hù)口罩的過(guò)濾效率大于95%，氣流阻力小于343.2 Pa，能夠隔離病毒，過(guò)濾性能強(qiáng)，空氣阻力小，密閉性能好，可滿足抗“非典”要求。而沒(méi)有經(jīng)過(guò)駐極加工的熔噴過(guò)濾層材料的過(guò)濾效率僅為30%左右，故后道靜電駐極加工對(duì)提高材料的過(guò)濾效率具有很大的影響。

3 國(guó)內(nèi)外醫(yī)用防護(hù)口罩熔噴過(guò)濾層性能對(duì)比

3.1 基本物理性能對(duì)比分析

測(cè)試3種國(guó)內(nèi)常用的熔噴過(guò)濾層(1#、2#、3#)及2種國(guó)外未駐極口罩過(guò)濾層(4#、5#)樣品的基本物理性能，并進(jìn)行對(duì)比分析，為我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品和調(diào)整工藝提供參考。5種樣品的電鏡照片和纖維直徑分布見(jiàn)圖1～圖5，基本物理性能見(jiàn)表2和表3。

圖1 1#樣品

圖2 2#樣品

圖3 3#樣品

圖4 4#樣品

圖5 5#樣品

表2 5種樣品的基本物理性能

由表2可知，透氣率隨厚度的增加而減小，因?yàn)殡S著厚度的增加，超細(xì)纖維層與層疊加，孔徑縮小，導(dǎo)致透氣率下降。同種材料的纖維直徑差別不大，但相比2種未駐極的某國(guó)外口罩過(guò)濾層，其纖維直徑明顯比國(guó)產(chǎn)樣品要小，而且分布域更加集中;未駐極的某國(guó)外口罩過(guò)濾層的靜水壓明顯比國(guó)產(chǎn)樣品要大，而孔隙率相反要小。另外，不管縱向還是橫向，未駐極的某國(guó)外口罩過(guò)濾層的拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率都要比國(guó)產(chǎn)樣品大，隨著厚度的增加，拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率增加。

在拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率方面，可能是國(guó)產(chǎn)樣品生產(chǎn)時(shí)加熱溫度過(guò)低，致使出模頭高溫熔體與外界進(jìn)行熱交換，快速降溫冷卻，熔體細(xì)流噴射成超細(xì)纖維時(shí)因熔融而相互黏結(jié)作用沒(méi)有那么明顯，故在拉伸時(shí)強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率相對(duì)較小。

在纖維直徑方面，未駐極的某國(guó)外口罩過(guò)濾層的纖維直徑普遍較小，且范圍集中;而國(guó)產(chǎn)樣品的纖維直徑與其相比略粗，直徑分布相對(duì)分散。纖維細(xì)，比表面積大，纖維與纖維間疊加黏合的概率增加，故未駐極的某國(guó)外口罩過(guò)濾層的靜水壓明顯比國(guó)產(chǎn)樣品大，而孔隙率要小。這說(shuō)明過(guò)濾層的纖維直徑及分布是很重要的參數(shù)。因此必須提高所設(shè)計(jì)生產(chǎn)線產(chǎn)品的穩(wěn)定性，使吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)均勻，模頭整體加熱也要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細(xì)流經(jīng)模頭噴射時(shí)模頭的周邊環(huán)境(溫度、濕度、壓力)要求穩(wěn)定。國(guó)產(chǎn)的模頭相比于日本卡森公司和德國(guó)萊芬公司生產(chǎn)的模頭，加工精度有一定的差距。

表3 5種樣品的孔徑

由表3可知，國(guó)產(chǎn)樣品平均孔徑隨著厚度的增加而逐漸減小，從17.450 6 μm下降到 15.615 9 μm;國(guó)外樣品因面密度接近，平均孔徑值相差不大。從5種樣品的孔徑分布(圖1～圖5)來(lái)分析，樣品1#、2#、3#的孔徑分布離散性大，分布不集中;樣品4#、5#的孔徑分布相對(duì)集中。結(jié)合上述5種樣品的纖維直徑分布進(jìn)行分析，纖維直徑小，且直徑分布均勻集中，抽吸風(fēng)作用下在凝網(wǎng)簾上形成的過(guò)濾層纖網(wǎng)，纖維與纖維間疊加黏合所形成的孔徑值分布均勻，平均孔徑相對(duì)較小;而國(guó)產(chǎn)過(guò)濾層樣品的纖維平均直徑相對(duì)國(guó)外過(guò)濾層的纖維直徑要大，而且離散性大，纖維直徑分布不集中，電鏡下觀察粗細(xì)纖維明顯，故所形成的過(guò)濾層纖網(wǎng)孔徑分布也不集中，同樣的面密度，其平均孔徑相對(duì)較大。

3.2 經(jīng)駐極加工后口罩過(guò)濾層性能對(duì)比

3.2.1 過(guò)濾效率和阻力變化

對(duì)兩類樣品進(jìn)行相應(yīng)的駐極處理，放置于密封袋中，得到一系列經(jīng)駐極處理后隨時(shí)間變化的過(guò)濾效率值(表4)和相應(yīng)的呼吸阻力值(圖6)。

過(guò)濾層的過(guò)濾機(jī)理主要包括慣性沉積、截留沉積、擴(kuò)散沉積和靜電吸引沉積等。由表4可知，5種過(guò)濾層樣品中，經(jīng)過(guò)靜電駐極的樣品與未進(jìn)行靜電駐極的樣品相比，過(guò)濾效率有明顯的提高，從未駐極的20%～35%迅速上升到60%～88%，說(shuō)明靜電吸引沉積對(duì)過(guò)濾效率有著重要的作用。由于時(shí)間有限，測(cè)試了駐極后放置480和960 h的過(guò)濾效率，發(fā)現(xiàn)與剛駐極完相比過(guò)濾效率沒(méi)有大的變化，但隨著時(shí)間的延續(xù)，總的過(guò)濾效率呈下降的趨勢(shì)。因?yàn)轳v極完后，過(guò)濾層表面儲(chǔ)存電荷，測(cè)試的樣品都放在密封袋中，過(guò)濾層與外界接觸的環(huán)境受限，故總的過(guò)濾效率衰減得不明顯;又因?yàn)橥幻孢^(guò)濾層中，電荷分布不勻且不都是同一類的，在過(guò)濾層存放、移動(dòng)、測(cè)試的過(guò)程中，有過(guò)濾層表面電荷發(fā)生中和或者聚集等情況，存放了一段時(shí)間后過(guò)濾效率變大也是正常現(xiàn)象。

另外，盡管國(guó)產(chǎn)過(guò)濾層樣品通過(guò)同樣的駐極工藝，但過(guò)濾效率的提高沒(méi)有國(guó)外樣品大。這可從面密度角度來(lái)解釋，材料的面密度大，所形成的微孔較為致密，在同樣電荷密度下，微孔間的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，從而駐極效果增強(qiáng);也可從纖維直徑的角度來(lái)解釋，國(guó)外樣品的纖維細(xì)且分布均勻，單位面積中的纖維根數(shù)多，堆疊后形成的空隙更多更小，從而形成更多捕獲電荷的陷阱，增強(qiáng)駐極效果［7］。

圖6為阻力隨駐極時(shí)間的變化情況。由圖6可看出，隨著過(guò)濾層面密度的增加，阻力相應(yīng)增大。過(guò)濾層面密度增加，孔徑變小，厚度增加，導(dǎo)致阻力增大。同時(shí)也可看出，剛駐極完的過(guò)濾層對(duì)氣溶膠的阻力，與未駐極的相比有變大也有變小，但隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，阻力均上升。剛進(jìn)行靜電駐極時(shí)，過(guò)濾層表面和近表面積聚了大量的電荷，面密度不均勻，電荷密度較大的地方，同種電荷排斥作用強(qiáng)烈，可能導(dǎo)致纖維之間的移動(dòng)，表面形成較大的開(kāi)放型孔洞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過(guò)濾層對(duì)氣溶膠的阻力相應(yīng)減小;而剛駐極完的過(guò)濾層上排列著電荷，當(dāng)電荷對(duì)氣溶膠的排斥作用大于電荷自身的排斥所形成的開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過(guò)濾層對(duì)氣溶膠的阻力總體上升。在放置過(guò)程中，過(guò)濾層表面結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化，過(guò)濾層上分布著正負(fù)兩種電荷，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)在過(guò)濾層中的電荷相互中和，導(dǎo)致電荷的排斥作用下降，纖維之間的移動(dòng)下降，表面開(kāi)放型結(jié)構(gòu)變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)通過(guò)若干次過(guò)濾效率測(cè)試，氣溶膠有部分沉積在過(guò)濾層表面，綜合結(jié)果導(dǎo)致過(guò)濾層對(duì)氣溶膠的阻力上升。

圖6 阻力隨駐極時(shí)間的變化情況

3.2.2 駐極后過(guò)濾層靜電勢(shì)隨時(shí)間的變化

圖7 樣品靜電勢(shì)隨時(shí)間的變化情況

通過(guò)電暈駐極處理，聚丙烯濾料層中含有兩種電荷：一種是空間電荷;另一種是極化電荷［8］。在放置過(guò)程中，濾料的表面結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化。從圖7中看出，5種樣品隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾層的靜電壓下降，但在0～10 h這段時(shí)間內(nèi)下降的幅度較為明顯，然后是緩慢地下降。過(guò)濾層中存在的兩種電荷不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)，聚丙烯材料有一定的導(dǎo)電性，并且在存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)受到外界濕度的影響，這不利于空間電荷的存儲(chǔ)，因此，存儲(chǔ)過(guò)程中空間電荷會(huì)逐漸減少。而極化電荷將一直存儲(chǔ)在濾料中，從嚴(yán)格意義而言，濾料的過(guò)濾效率會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

由圖7可看到國(guó)產(chǎn)樣品相比于國(guó)外樣品，通過(guò)靜電駐極后電勢(shì)較小，這是由于過(guò)濾層面密度的影響。對(duì)于1#、2#、3#樣品，隨著面密度的增加，過(guò)濾層通過(guò)靜電駐極的靜電勢(shì)逐漸上升。但由3#和5#樣品相同面密度的結(jié)果可知，面密度只是影響因素的一部分，關(guān)鍵還是在于過(guò)濾層纖維的直徑及其分布的集中程度等。因?yàn)閲?guó)外樣品中纖維直徑小，分布均勻，所能負(fù)載的電荷能力強(qiáng)，故靜電勢(shì)高。

3.2.3 過(guò)濾效率與靜電勢(shì)的關(guān)系

未駐極過(guò)濾層的過(guò)濾效率為20%～35%，經(jīng)駐極后升到60%～88%，說(shuō)明靜電駐極對(duì)過(guò)濾效率具有很大的影響。靜電駐極的原理是讓過(guò)濾層在高壓作用下帶上電荷，形成一定的靜電勢(shì)。過(guò)濾層所帶電荷量越多，所形成的靜電勢(shì)能越大，其所具有的過(guò)濾效率必定高。而過(guò)濾層所能負(fù)載的電荷量與其表面狀況、面密度、表面纖維直徑等有關(guān)。另外在駐極后960 h，過(guò)濾效率有下降趨勢(shì)，但數(shù)值上與剛駐極的過(guò)濾效率變化不大;而在駐極后0～5 h這段時(shí)間內(nèi)，過(guò)濾層靜電勢(shì)的下降幅度較為明顯，然后是緩慢下降。這是因?yàn)閯傫v極完，過(guò)濾層上分布的電荷是不勻的，同時(shí)同一面上有可能分布不同的電荷，對(duì)剛駐極的過(guò)濾層，電荷間的中和以及電荷的消失會(huì)使過(guò)濾層靜電勢(shì)大幅度下降，但對(duì)總的正負(fù)電荷量來(lái)講變化是很小的，故過(guò)濾效率下降幅度不是很明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)熔噴過(guò)濾層材料與國(guó)外樣品進(jìn)行了綜合性能測(cè)試分析，包括過(guò)濾層的厚度、表面形態(tài)、纖維直徑、面密度、透氣性、過(guò)濾效率、拉伸強(qiáng)度、靜電勢(shì)、孔隙率和孔徑等指標(biāo)，得出過(guò)濾層的面密度、纖維直徑和分布是影響過(guò)濾效率的重要因素。

靜電駐極工藝對(duì)過(guò)濾層的過(guò)濾效率有著重要的作用，駐極后過(guò)濾層的過(guò)濾效率明顯提高，在數(shù)百小時(shí)內(nèi)過(guò)濾效率沒(méi)有大的變化，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，總的過(guò)濾效率呈下降的趨勢(shì)。過(guò)濾層阻力隨著時(shí)間的變化不大。過(guò)濾層的表面靜電勢(shì)在駐極后0～10 h下降的幅度較明顯，以后為緩慢下降。

比較而言，國(guó)外過(guò)濾層樣品中纖維直徑小且相對(duì)分布均勻，過(guò)濾層表面平整光滑，同時(shí)在相同面密度時(shí)國(guó)外過(guò)濾層具有較高的過(guò)濾效率和靜電勢(shì)、孔徑小且分布均勻等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于國(guó)產(chǎn)過(guò)濾層的產(chǎn)品缺陷我們可以從生產(chǎn)工藝來(lái)考慮，要提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)要均勻，模頭整體加熱要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細(xì)流經(jīng)模頭噴射時(shí)，模頭周邊的環(huán)境(溫度、濕度、壓力)要求穩(wěn)定。

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