醫用口罩非織造材料研究進展

葉小波,唐 林,陳春亮,董雄偉,葉兆清,*

(1.當陽市鴻陽新材料科技有限公司,湖北 當陽444100;2.武漢紡織大學技術研究院,湖北 武漢430200)

近期,爆發于2019年底并持續蔓延的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情給中國和全球人民的健康和生活帶來了嚴重影響,引起了廣泛關注。而無論是此次的新型冠狀病毒肺炎,還是此前的SARS、MERS和高致病性禽流感等疾病,都主要通過呼吸道傳染。因而,在針對疫情的特效藥和疫苗全面普及之前,民眾個體在公共場合活動時有必要佩戴口罩,以防止病毒的侵入和傳播[1]。

中國在過去很長一段時間內所使用的都是普通棉紗口罩,這種口罩織物結構疏松,面部密合性差,過濾效率低,對病毒缺乏明顯防護功能[2]。隨著醫療衛生水平的提升,目前已經基本上使用由非織造材料制備的即用即棄式一次性醫用口罩。與傳統棉紗口罩相比,它不僅能有效過濾飛沫和氣溶膠,還具備吸氣阻力小、抗菌性能強等特性[3]。隨著非織造領域的不斷拓展,醫用非織造材料的相關內容也在不斷進行研究和創新,結合當前的形勢,對防護用醫用口罩常用非織造原料和生產技術的研究現狀進行了概述和分析,以期對醫用口罩用非織造材料的進一步發展提供部分思路。

1 口罩的結構與防護機理

1.1 口罩的類別與結構

常見口罩一般分為2 類:普通口罩和醫用口罩。普通口罩(保健口罩、防塵口罩、布口罩等)對空氣中的飛沫、塵埃等的過濾效果一般,幾乎不具備病毒防護功能。醫用口罩一般可分為4類:一次性使用醫用普通口罩、醫用外科口罩、醫用顆粒物防護口罩和醫用防護口罩,其防護等級依次遞增。

醫用口罩按照外形可分為平面結構和立體結構,醫用外科口罩和一次性醫用口罩為平面型結構,醫用防護口罩為三維拱形立體結構[4]。醫用口罩采取多層非織造布復合的形式,大多由外層防水層、中間過濾層及內層吸濕層等三大部分組成。外層的防水層一般由紡黏法或熱軋非織造布組成,材料的孔徑尺度較大,可以攔截尺寸較大的粒子,經過防水處理可以有效防止外界的飛沫入內;中層的過濾層由具有較強過濾作用的熔噴非織造布構成,大多采用靜電駐極工藝對其進行過改性處理,可以過濾尺寸更加微小的粒子,為核心部件;內層由普通紡黏、針刺或水刺法非織造布構成,在保證吸濕性的同時提高其親膚性和舒適性。

1.2 口罩的防護機理

口罩的防護機理從空氣過濾技術層面分析,根據粒子的截留和相互作用方式,一般是基于以下幾種過濾機理[5-7]:

(1)攔截效應。當微粒隨氣流到達纖維表面附近時,較大粒徑的微粒會直接被纖維織物攔截并沉積在纖維表面。

(2)慣性效應。當氣流經過纖維排列緊密而又交錯復雜的纖維層時,質量較大的粒子在慣性作用下繼續維持原有狀態并迅速撞擊到纖維表面而沉積下來。

(3)擴散效應。氣體分子在熱運動過程中與小微粒產生碰撞,粒子產生不規則布朗運動,因而易碰撞到纖維表面并沉積下來。

(4)靜電效應。經過靜電駐極處理讓纖維帶上靜電,粒徑較小、輕質的微粒在靜電作用下被吸引粘附在纖維表面,達到濾除效果。

(5)重力效應。隨氣流運動過程中,粒子由于自身重力沉降在纖維表面而被直接捕獲。

上述5種防護機理,在醫用口罩材料里發揮主要作用的是攔截效應、慣性效應和靜電效應[4]。其中,對口罩的芯層濾材做靜電駐極處理,使之帶上電荷以增加靜電效應進而增強吸附過濾作用,是醫用口罩極為重要的工藝環節。

2 醫用口罩的非織造原料

醫用口罩的主要原料為熱塑性聚合物制成的熔噴布和紡黏布,但這種口罩存在著不少短板,如吸濕性較差,舒適性不夠,以及給環境保護造成諸多困擾等。在此次全球大范圍傳播的新冠肺炎疫情期間,醫護人員由于長時間佩戴口罩會導致其鼻梁和面部受到不同程度的擠壓和損傷,同時大量的一次性廢棄口罩有時無法得到及時有效地處理,也給環境保護造成了壓力。

2.1 常用基礎原料

聚丙烯(PP)母粒為目前常用醫用口罩的基礎原料,具有成本低廉,耐熱性良好和物理化學性質穩定等優點,一直作為優質原料廣泛應用于醫用非織造領域。為了進一步提高PP非織造材料的性能,常常會采取各種方法對它作改性處理。浙江理工大學歐璐等[8]使用SiO2氣凝膠與PP 進行熔融共混,制備了SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料,相較于純PP熔噴材料,它的過濾效果增強了50%左右。張恒等[9]采用聚乙二醇(PEG)共混改性PP,制得了纖維間孔隙更加蓬松的PP/PEG 微納米纖維材料,發現PEG 對提高材料的過濾效果有積極作用。

為了進一步滿足人們的生命健康需求,防護口罩用非織造材料除了要達到必要的過濾標準外,如何增強其抗菌性和抗病毒性常常也是研究者們關注的重點。東華大學朱孝明等[10]利用抗菌性能強的光催化抗菌材料二氧化鈦(TiO2),首先對TiO2進行改性,使之抗菌性能更加穩定;然后以在線復合的方式將改性后的TiO2負載到PP熔噴非織造布中,以離線復合的方式將其負載到PE/PET 紡黏非織造布上,最后將兩種材料復合,制備出改性TiO2/紡黏-熔噴(SM)抗菌復合濾材。Pongpol Ekabutr等[11]用不同濃度的天然物質山竹果提取物(MG)對PP 熔噴濾材進行噴涂改性處理,并選取大腸埃希氏菌等3種代表菌對改性后的濾材進行攻擊,結果均表現出良好的抗菌效果,有望應用于醫用口罩的研究與生產。

2.2 可降解纖維原料

在此次大范圍傳播的新冠肺炎疫情中,醫用口罩使用量極速且持續增加,并常伴有隨意丟棄的情況,但常用的原料PP屬于不可再生資源,存在著難以降解的缺點,不可避免地會對環境造成污染。因此,可降解非織造原料從綠色環保角度來說是優選,具有深遠的意義。近年來,綠色環保、可生物降解的天然纖維素纖維及其衍生物(如Lyocell、Viloft等)、合成高分子(如聚乳酸)和生物基聚合物(如生物基滌綸、生物基聚乙烯等)正逐漸應用于非織造材料的生產[12]。

采用NMMO 溶劑法生產的再生纖維素纖維Lyocell呼聲較高,能夠完全生物降解為CO2和H2O,且降解時長也很短,從工藝生產到降解完成全程無污染,完全遵循現代綠色理念,是深受人們喜愛的21 世紀“綠色纖維”;同時其具有較高的強力(尤其是濕態強力)、良好的吸濕性和天然的透氣性等優異特性,因而迅速成為優質新型紡織原料,并通過熔噴、針刺、水刺等工藝應用于非織造領域[13]。利用針刺法可以將Lyocell纖維的高強度特性轉移至制得的非織造材料中,且相較于粘膠纖維,針刺Lyocell非織造布的針刺結構蓬松性與材料吸濕能力都更好。利用Lyocell纖維在濕態下的原纖化,即縱向可以分離出亞微米級別細小原纖,采用濕法和水刺法制得的Lyocell非織造材料有較好的過濾性能,可用于過濾材料[14]。在其原有技術工藝的基礎上,可對Lyocell纖維進行抗菌改性處理,如Smiechowicz等[15]利用Ag NO3溶液,在纖維素-NMMO-水體系中采用了不同的條件制備銀納米粒子,并制備了納米銀離子改性Lyocell纖維,在保持Lyocell力學和親水性能幾乎不變的情況下增加了其抗菌特性。在Lyocell的抗菌后整理方面,張榮波等[16]采用絲素蛋白對Lyocell非織造布進行浸軋處理,增強了Lyocell非織造布的親膚性能和生物相容性,增大了其應用于醫用口罩的空間。

以乳酸為主要原料聚合得到的聚乳酸(PLA)是一種性能優良的新型生物降解合成高分子材料,有著較好的力學強度。PLA 熔噴駐極體非織造材料已應用于空氣過濾材料,與其他熔噴過濾材料一樣,如何改善它們的駐極體性能,進而提高其過濾效率一直是重點研究內容。Jianfeng Zhang等[17]采用電暈充電技術形成駐極體,制備出多種形態和晶體結構不同的PLA 熔噴駐極體材料,其過濾效率均有所提高;但材料形態和晶體結構的差異會影響駐極體的電荷俘獲性能進而影響其過濾性能,其纖維直徑分布越窄,織物材料越致密,過濾性能越好。同時,PLA 的后續加工和應用因其本身脆而硬的缺點而大大受限,因此在很多研究或生產中往往會對PLA 進行改性處理以改善其力學性能。清華大學黃海超等[18]將納米SiO2和駐極體改性劑O-electret引入至PLA 基體中,并選用環氧大豆油(ESO)和PEG 作為增塑劑對PLA 進行復合改性,得到了駐極體-增塑劑/PLA 熔噴非織造復合材料,在使其過濾性能優良、生物可降解的同時獲得了可后續加工的能力,在未來的規模化生產中具有重大應用潛力。

此外,已有部分國家或地區將生物基聚合物應用于可降解非織造領域,如巴西Braskem 公司制成的Fitesa EcoFabric纖維,其芯層由生物基聚乙烯(PE)和PLA 構成,其外層由PE 構成,不僅結合了PE 的柔軟性和PLA 的高強度,還具備了可降解的特點,有應用于醫用口罩表層面料的潛力[3]。

3 醫用口罩材料的非織造技術

3.1 靜電駐極熔噴技術

在醫用口罩的生產中,最關鍵的是中間層過濾材料熔噴布,原料多為PP,經熔融、紡絲、拉伸、定型等步驟制得。利用高速高壓熱氣流將PP纖維從噴絲孔噴出,將其牽伸成直徑為0.3～7.0μm 的超細纖維,均勻鋪在收集裝置上,并利用其自身的余熱黏合成網,加固成布,最后經駐極處理提高過濾效率。其中,關鍵工序在于靜電駐極處理,令濾材增強對空氣中粒子的靜電吸附作用,利用靜電效應大大提高口罩的過濾效率,一般可采用電暈充電法、電暈放電法、高壓極化法等。在過濾效率提高的同時,駐極體非織造布也具有很好的穩定性,室溫下存儲6個月,過濾效率基本沒有衰減[19]。

但在熔噴布的制備過程中,纖維往往不會受到較長的牽伸,黏合成網后熔噴布的耐磨性和力學強度都不夠[20],難以單獨承受較強的外力,因而制成的口罩也往往難以阻擋外力從而達不到較強的防護能力;且由于日常環境中周圍的離子侵蝕,不可避免地使駐極體產生靜電散逸,從而導致過濾效率顯著降低,由其制成的口罩也因此會降低防護能力[21]。為了改善熔噴布力學性能不足的問題,姜麗娜等[22]將針刺布與熔噴布通過在線復合工藝制得了亞高效過濾性能材料,在原純熔噴布的基礎上顯著提升了力學性能,同時其使用壽命也明顯增加。為了改善駐極體性能,Haifeng Zhang等[23]將硬脂酸鎂(MgSt)作為電荷增強劑引入至PP熔噴材料中,制成的新型駐極體材料結構蓬松,駐極體性能有了明顯的改善,擁有較高的孔隙率和優異的過濾性能,可能成為應用于防護用口罩的良好選擇。

3.2 靜電紡絲技術

靜電紡絲的歷史并不久,是近些年才興起的紡絲工藝。利用電場力對位于高壓電場中的紡絲溶液或熔體射流進行牽伸,得到的纖維呈無序狀沉積在接收裝置上,形成具有大量微孔的納米纖維材料。該方法設備簡單、操作便捷、成本較低,且得到的產品有著高孔隙率,被看作制備納米纖維最高效的方法之一[24],適合用于制備空氣過濾材料。西安工程大學李琦嫻等[25]通過靜電紡把聚氨酯(PU)納米纖維噴射覆蓋在PP熔噴材料表面,得到了PP熔噴/PU 靜電紡復合材料,在單一PP熔噴非織造布的基礎上增強了其吸附和過濾性能,并發現在紡絲液質量分數為7%的情況下,材料過濾效果最佳,尤其對尺寸處于0.3μm 以下的粒子具有出色的過濾性能,適宜用作空氣過濾材料。Caglar Sivri[26]以聚乙烯醇(PVA)溶液為原料,采用靜電紡絲將PVA 紡成超細納米纖維,并應用于一次性醫用口罩,增強了口罩的舒適性和病毒防護性。江南大學Chengbo Huang等[27]通過靜電紡絲將1-氯-2,2,5,5-四甲基-4-咪唑烷酮作為一種N-鹵代胺引入至聚丙烯腈納米纖維中,形成了聚丙烯腈/1-氯-2,2,5,5-四甲基-4-咪唑烷酮-5%納米纖維,開發了基于聚丙烯腈纖維的抗菌材料,可應用于防護口罩,以切斷病毒的傳播。與靜電駐極熔噴技術相比,采用靜電紡絲技術制備的納米纖維膜的纖維直徑更小,空隙率更高,保持電荷不逸散的能力更好,過濾效果更佳,甚至可以代替靜電駐極熔噴非織造過濾材料[6]。但靜電紡絲技術往往也伴隨著纖維直徑不均勻,材料力學強度不夠等缺陷,還需要進行更加完備的技術改進。

4 結語

隨著國家經濟水平的快速增長,醫療衛生水平的不斷提升,以及人們生命健康意識的不斷增強,防護用醫用口罩的性能也不斷提高,從單一的過濾效率到口罩的舒適性、生物可降解性和抗菌性等,日趨呈現多元化。高效的性能要求也推動著現代防護用口罩非織造材料在原料和技術方面的不斷探索和改進,開發更加環保高效的纖維原料和更加成熟穩定的技術將是大勢所趨。未來還需要加大醫用防護性口罩材料領域尤其是核心部件中層濾芯的研發投入,不斷創新和發展,以提高現代醫用口罩的綜合性能。