醫用非織造口罩材料及其新技術的研究現狀

韓 玲,胡夢緣,馬英博,郝棟連

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

呼吸道飛沫傳播和接觸傳播是新冠肺炎(COVID-19)的主要傳播途徑,為此,醫用口罩的需求急劇增加。非織造材料以其三維結構,孔徑小、孔隙率高、過濾效率高、價格低等優點,在一次性口罩制造方面有著傳統紡織品難以媲美的優勢[1-2]。隨著新冠肺炎疫情發展,在政府號召下,眾多企業增加了非織造口罩生產線,但普遍對口罩用非織造布的原料、生產工藝和后處理缺乏了解。同時，大量一次性口罩的廢棄會增加社會環保壓力。為此,本文結合醫用口罩各類防護指標,介紹醫用口罩常用非織造布原料、性能特點及后處理技術,以期為可降解多功能口罩生產和研究提供相應幫助。

1 醫用口罩面料的性能指標

醫用口罩主要分為一次性醫用口罩、醫用外科口罩和醫用防護口罩3種。各種口罩使用環境不同,其防護性能如過濾效率、防濺射能力、密封性、過濾阻力等性能指標要求亦不同[1-2]。目前，這3種口罩的性能檢測國家標準分別為YY/T 0969—2013《一次性使用醫用口罩》[3]、YY 0469—2011《醫用外科口罩》[4]和GB 19083—2010《醫用防護口罩技術要求》[5]。

1.1 防護性能指標

口罩主要作用是阻隔外界異物如顆粒、粉塵、細菌、病毒等通過呼吸道進入人體。因此，口罩的防護性指標主要指防護阻隔異物的過濾效率，防止外部液體侵入的防濺射性能和防止口罩形狀不同而引起的異物吸入的密閉性指標[2]。

1.1.1 過濾效率 過濾效率分為細菌過濾效率(BFE)和顆粒過濾效率(PFE)。BFE是指在(30±2) L/min的氣體流量下口罩對(3±0.3) μm的細菌氣溶膠的過濾效率，PFE是指在(30±2) L/min的氣體流量下口罩對(0.075±0.2) μm粒徑的非油性顆粒的過濾效率。YY/T 0969—2013《一次性使用醫用口罩》、YY 0469—2011《醫用外科口罩》和GB 19083—2010《醫用防護口罩技術要求》規定：一次性使用醫用口罩和醫用外科口罩的BFE應不小于95%，一次性醫用口罩和醫用外科口罩的PFE應不小于30%。醫用防護口罩在空氣流量為(85±2) L/min的測試條件下,按照PFE不同劃分為一、二、三級,對應的PFE分別不小于95%、99%和99.97%[3-5]。

1.1.2 防濺射性能 在醫院的日常工作和手術中,醫護人員會受到意外的血液和體液濺射,因此醫用口罩必須有防濺射能力。醫用口罩的防濺射主要指抗合成血液穿透阻力和表面抗濕性。按使用環境不同,國標對這3種口罩的防濺射性能要求各不相同。對于一次性醫用口罩無明確要求。對于醫用外科口罩和醫用防護口罩,分別要求表面張力為(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)壓力噴向口罩外側面后,2種口罩內側面不應出現滲透。醫用防護口罩要求外表面沾水等級應不低于GB/T 4745—1997中3級的規定[3-5]。

1.1.3 密封性能要求 良好的密合性可以防止病菌從口罩與臉的空隙處侵入呼吸道,是醫用口罩發揮防護性能的前提條件。3個標準[3-5]中指出,一次性醫用口罩和醫用外科口罩需能罩住佩戴者的口鼻至下顎,最大偏差不應超過5 %,但醫用防護口罩要求非常優異的密合性,需要有80 %以上的受試者達到適合因數要求,方才符合生產要求。

1.2 舒適性指標

口罩高防護阻隔性同時會帶來一定呼吸阻力,國家標準對3種醫用口罩舒適性指標規定采用壓力差和通氣阻力表征。國標要求一次性醫用口罩和醫用外科口罩在(8±0.2) L/min的氣體流量下,口罩兩側面進行氣體交換的壓力差應不大于49 Pa/cm2，而醫用防護口罩則要求在85 L/min氣體流量下通氣阻力不超過343.2 Pa(35 mmH2O)[3-5]。

2 醫用非織造口罩原料

醫用非織造口罩主要原料為熱塑性聚合物制備的紡黏布和熔噴布,但隨著一次性口罩使用量劇增,此類口罩會加重后期處理的環保壓力大，且存在吸濕性、舒適性差等缺點。例如，長時間使用后口罩鼻梁條容易損傷醫護人員鼻梁。

2.1 常用基礎原料及特點

目前,常用口罩面料的基礎原料為聚丙烯(PP)母粒,它具有密度小、易光降解等優點。聚丙烯非織造布達到一定使用時長后,大分子鏈可光降解斷裂,適用于一次性使用的口罩材料,可減少環境污染。而聚酯纖維具有強力高、耐光性能好等優點,其高卷曲中空短纖維可用于插層熔噴,提高口罩的容塵量,減小口罩過濾阻力。

此外,改性的基礎原料亦可提高口罩防護性。一種方法是采用改性PP或將PP與功能性母粒共混紡絲。如MIYAZAKI K等[6]采用微膠囊技術,將以降解劑為芯材的微膠囊均勻地黏附在纖維表面,用于制備可降解無紡布。還有將可控降解劑或納米級光敏材料粉體,加入PP聚合物中進行共混熔噴紡絲,生產的熔噴布具有可控光-生物雙降解性[7]。亦可將抗菌劑(一般含量為5%～20 %)混入紡絲母粒中,共混紡絲后可制得抗菌無紡布。

2.2 可降解纖維原料

隨著一次性醫用口罩使用量的急速增加,大量口罩廢棄后如不能及時降解,會造成嚴重環境污染。為了緩解環保壓力,研究人員開發了具有綠色環保、可持續發展、可生物降解的天然纖維素和生物基聚合物[8]。天然纖維素及其衍生物，如黏膠、Lyocell、Viloft、甲殼素和合成高分子，如聚乳酸(PLA)等[9]正逐漸應用于非織造布生產。研究人員以甲殼素納米纖維和木質素為原料,聚氧乙烯(PEOx)為溶劑,采用靜電紡制得可降解的納米纖維膜。經過抗靜電處理后，將膜置于高強度的紡黏布之間,制成防護性達標的口罩[10]。Reicofil公司利用美國Biax-Fiberfilm公司的專利技術,采用纖維素/NMMO/水溶液為原料，生產出可降解熔噴法非織造布[11]。

為進一步適應環保要求,中國臺灣及歐美等國家或地區已廣泛采用生物基聚合物，如生物基聚乙烯(PE)、生物基滌綸、生物基丙綸等生產可降解環保型紡黏布和熔噴布。其中生物基PE產量約占生物塑料28 %市場份額,已經成功應用于非織造領域。巴西Braskem公司,使用100 %可再生的生物基PE和PLA為芯層，PE為外層制成了Fitesa EcoFabric纖維。此纖維結合了PE的柔軟性和PLA的高強度,且具有可降解性,有望成為醫用非織造口罩的表層面料[12]。

2.3 彈性原料

密閉性良好的口罩,可以有效阻隔外界異物，同時還有效地避免佩戴者呼出飛沫對他人造成威脅。以彈性聚合物為原料，生產出口罩用彈性非織造布,可提高口罩與面部的貼合度,在不使用鼻梁條的情況下提高口罩的密閉性,從而避免醫護人員在長期佩戴口罩過程因鼻梁條造成的皮膚損傷。Idemitsu Kosan公司以丙烯和丁烯為原料,開發了一種新型的彈性聚烯烴LMPO；美國Exxon Mobil Chemical公司開發了牌號為VM2320和VM2330的特種彈性體Vistamaxx，可直接用熔噴法生產彈性布[13]。熱塑性聚氨酯(TPU)[14]等亦可用于生產彈性非織造布。目前，彈性非織布已用于紙尿褲、面膜、口罩耳帶等產品中，如能采用彈性非織布制備口罩,不僅有望提高口罩的密閉性,甚至還可以省去鼻梁條。

3 常用生產技術

3.1 靜電駐極熔噴布

熔噴布是醫用口罩材料中最重要的過濾材料。其生產原理是借助高速熱氣流或其他手段(例如離心力、靜電力等)使高聚物熔體迅速高倍拉伸，固化成超細的短纖維,集聚到網簾或滾筒上制成。熔噴布多由0.5～4 μm聚丙烯(PP)超細纖維隨機分布而成,具有孔隙小、孔隙率高、過濾效率高、單位體積質量小，生產流程短等特點。但因制備過程中纖維未經較長牽伸,熔噴布強度和耐磨性較低[15],無法單獨承受強外力，使其制備的口罩易被外力破壞而失去防護能力。

由超細纖維自身熱黏合而成的熔噴布,結構緊密、過濾效率高，同時過濾阻力也隨之增大，容塵量相應減小。為此,美國3M公司開發了插層熔噴技術。如圖1所示,將剛度大、彈性高的高卷曲PBT中空短纖維吹入傳統聚丙烯熔噴紡絲的初生纖維中,可制得容塵量高、過濾阻力小、抗壓縮和彈性回復性高的工業用口罩材料。同時，顆粒通過此材料的路程曲折變長,增加了攔截作用,使得插層熔噴布對顆粒的阻隔效果顯著提高。

圖 1 插層熔噴技術示意圖

經靜電駐極處理后的熔噴布,可在不增加過濾阻力情況下提高過濾效率。靜電駐極技術可通過電暈充電、光極化、熱極化、水駐極等加工方法使纖維帶有靜電荷,又利用熔噴布中纖維的緊密結構,使纖維間形成大量電極。在靜電的作用下,自動吸附空氣中大部分微粒。有檢測報告證明,靜電駐極處理后的熔噴非織造布對空氣中0.3 μm微塵粒子的過濾效率可高達99 %以上,對有害顆粒和大多數細菌均起到很好的防護作用。駐極熔噴布中的靜電荷會形成表面靜電場,在一定濕度下產生微電流。電流會刺激細菌,破壞細菌的遺傳物質、外壁、表面結構等，通過破壞細胞膜內外的生物駐極態,產生抑菌殺菌的效果。但日常環境中存在的外界水和油性顆粒易使駐極體產生靜電散逸,所以駐極體熔噴布制成的口罩使用環境有一定局限性[16]。

3.2 紡黏法非織造布

紡黏布在醫用口罩中常用作表層和里層材料。其生產原理是將高聚物母粒或切片熔融紡絲，經牽伸和分絲后鋪疊成網,再熱軋成布。由于紡黏布為無限長絲直接鋪網而成,且在紡絲過程中長絲受過充分牽伸,比較于其他口罩材料相對強度更高。在單位面積質量較低的情況下,具有較高承受強度[17]。分絲可避免初生纖維粘連成不透氣硬膜,使其具有紡織品的柔軟性和透氣性，而熱軋處理使其獲得一定防水性。目前，國產設備生產紡黏布的速度為200～350 m/min,引進設備的生產速度可達400～800 m/min,最高可達1 200 m/min,所以紡黏布成本相對較低,適用于一次性口罩。

由于紡黏布比熔噴布纖維粗(直徑為15～25 μm,相當于1.4～4.0 dtex),纖維之間產生的孔隙遠大于熔噴布,所以紡黏布不宜單獨作為口罩材料使用。但其強力高,可作為熔噴布的補強材料與熔噴布復合使用。

為了改善紡黏布阻隔性能,德國Freudenberg(科德寶)公司發明了雙組分紡黏水刺技術[15]。該技術利用中空橘瓣型紡絲組件,將熔體紡成長絲后,再利用高壓水刺開纖固網,開纖率可以達到70 %以上,其工藝流程如圖2所示。

圖 2 雙組份紡黏水刺工藝流程

經過水刺開纖的纖維線密度可達0.08 dtex,截面為扇形,比表面積大于常規圓形截面纖維。用作醫用非織造口罩材料時,能阻隔一定量的微生物，具有吸濕透氣性好，過濾阻力低等優良性能[18-19]。

3.3 SMS復合非織造布

若將紡黏布復合在熔噴布兩側,構成SMS三明治結構,可使兩者相得益彰。其表層(S-紡黏層)決定了手感與強度,其內層(M-熔噴層)提高了屏蔽阻隔和過濾性能。采用多種細度的纖維組成SMS非織造材料,可進一步提高其舒適性、柔軟性和高屏蔽性。中間增加1～2層熔噴層,可明顯增加材料過濾效率,滿足醫用外科口罩過濾性能要求,但同時也會相應增加呼吸阻力。

目前,熔噴層和紡黏層復合有3種方式,分別為在線復合、離線復合和一步半法。其中離線復合產品透氣、透濕性能稍差；在線復合產品成本較高；一步半法避免了以上問題,效率高、靈活性大,可根據生產需要隨機調整以滿足客戶不同需求[20]。

3.4 短纖維物理纏結非織造布

除了采用化纖紡絲原理制成的非織造布,物理纏結法制成的非織造布，如針刺布和水刺布,也可用于口罩面料。針刺布生產原理是利用棱邊帶鉤刺的刺針對纖網進行反復穿刺,纖維在纖網中產生層間位移相互摩擦抱合,加固成具有一定強力和厚度的無紡布；水刺布是用高速的水射流代替了傳統的刺針(如圖3),對纖網正反面進行沖擊,促使纖維多方向纏結抱合,加固成布。

圖 3 水刺加固示意圖

在非織造口罩中,針刺布常用作粗濾材料或拱形口罩骨架支撐材料。針刺布的孔隙通道為蛛網結構,具有一定強度,但因為是短纖成網,阻隔性能不如紡黏布和熔噴布。目前，非織造口罩主要以針刺布+熔噴布+針刺布的形式制作。通常由100 %聚酯針刺布,或聚丙烯醇和聚酯纖維按照50/50混紡針刺布做表層和內層,再將駐極聚丙烯熔噴布置于其間[21],即形成口罩主體部分。在制作拱形口罩時,針刺布可在模壓成型后做內層骨架材料,既支撐口罩成型,又具有一定過濾效率。水刺布適合做口罩里層材料,如全棉水刺布,柔軟親膚、吸濕透氣、不掉毛,不僅不會發生絨毛進入呼吸道現象,還可吸收面部汗液,是性能優良的口罩里層親膚材料。

4 后處理技術

4.1 抗菌技術

MAJCHRZYCKA K等研究[22]表明,微生物在傳統醫用非織造口罩材料,如紡黏布、熔噴布、針刺布上的存活能力與非織造布種類無關,而與其自身品種有關。提高材料抗菌能力主要從纖維原料和后整理2個方面著手。目前,通常采用后處理方法提高醫用口罩抗菌性能,如采用抗菌劑或抗菌微膠囊等對基布進行抗菌處理[23]。賈芳等[24]用天然抗菌劑殼聚糖對非織造材料做后整理,利用殼聚糖的陽電荷性,破壞細菌蛋白質,使其失活。相同抗菌機理的抗菌劑還有改性季銨鹽抗菌劑等。此外，可采用微膠囊技術,將抗菌物質制成球狀微膠囊,對口罩無紡布進行抗菌處理[25],從而提高醫用非織造口罩的抗菌性。

4.2 防濺射技術

醫用防護口罩和醫用外科口罩需有一定防濺射性能。纖維越細,口罩材料孔隙越小,抗血液滲透能力越強,但透氣性會下降[26]。因此，在實際防濺射整理中,需平衡透氣性和拒液性。防濺射處理包括拒水、拒油、拒酒精、拒血液、拒體液等[27]，防濺射整理常用的整理劑有氟碳化合物和C8氟系整理劑。經整理后的材料呈現良好的拒水、拒油和抗污效果,但C8氟系整理劑會產生對人體有害的物質。目前,無氟整理劑是發展趨勢。齊國瑞[28]等采用RUCO-DRY ECO無氟拒水整理劑，通過噴霧裝置對低面密度的水刺布進行整理后,得到了單面導濕的面層衛生材料,有望用于口罩面料。

5 結 語

綜上所述,駐極熔噴布可滿足口罩材料過濾性能要求,是當前最常用的醫用非織造口罩材料，但因其強度低,需與其他材料復合使用。常用補強材料有紡黏布、針刺布和水刺布。隨著人們對公共衛生逐漸重視,對醫用口罩需求量越來越大,對其性能要求也越來越高。采用先進的原料、先進工藝及新型后整理技術,可賦予醫用非織造口罩材料更多功能和高附加值;采用可降解非織造布制作口罩,亦可降低環保壓力。不過，由于駐極熔噴布的使用存在一定局限性,今后可開發納米纖維膜做口罩過濾層,從而提高口罩的舒適性、防護性和可重復使用性。