PTFE微孔膜在安全防護領域的應用探討

孫喜娥，廉志軍，張師軍，徐毅輝，姜超，高達利

（1.內蒙古工業大學 內蒙古呼和浩特 010080；2.中國紡織科學研究院有限公司 北京 100025；3.中石化（北京）化工研究院有限公司 北京 100013；4. 中國石油化工股份有限公司 北京 100728）

1 前言

PTFE（聚四氟乙烯）微孔膜是由PTFE樹脂經特殊工藝拉伸而成的薄膜，其微觀形態為微纖維糾纏相連形成的蜘蛛網狀結構，微纖維之間的孔隙形成無數微孔[1]。PTFE分子結構為完全對稱的無枝化線性聚合物，C-C主鍵的周圍被氟原子緊密包圍，C-F鍵是最牢固的高分子鍵之一，對稱的氟原子使其整個大分子不帶極性，表面能較低，化學穩定性好。PTFE的化學結構使其制品具有良好的耐熱性、耐化學品性、耐腐蝕性、疏水性、耐老化性。

20世紀60年代美國杜邦（DuPont）公司首先采用單向拉伸法制得PTFE微孔膜，1973年美國戈爾（GORE）公司成功開發了雙向拉伸PTFE微孔膜[2]。雙向拉伸技術的進步使得PTFE微孔膜的性能不斷提升，在透氣性、透濕性、過濾性方面可滿足不同領域的應用要求。

PTFE微孔膜孔隙率可達80%以上，微孔孔徑在幾十至數百納米之間，常用的服裝用PTFE微孔膜平均孔徑在200nm左右，是水分子直徑的500倍以上，又遠小于液體水滴的直徑，很容易允許氣態水通過，又能阻隔液態水和固體顆粒物，兼具高透濕性、高過濾性。

PTFE微孔膜優異的性能使其在醫療衛生、航空航天、石油化工、消防、戶外運動等領域得到廣泛應用。尤其是近幾年，受全球新冠疫情的影響，PTFE微孔膜在防護服、口罩等方面的應用越來越多。文章將從醫療衛生、消防、化學防護等方面探討PTFE微孔膜在防護領域的應用情況。

2醫療衛生領域

醫療衛生領域是對防護性能有較高要求的領域，進入21世紀以來，大規模傳染性疫情頻發。從2003年的非典肺炎、2009年的甲型H1N1流感、2012年的中東呼吸癥、2014年的埃博拉病毒、2016年的巴西寨卡病毒到2019年開始并持續到現在的新冠肺炎疫情，不斷給醫療衛生領域帶來挑戰[3]。在應對傳染性強的病毒性感染時，醫護人員與患者之間需要建立一個可靠的隔離屏障，以保證醫護人員自身的安全，這個隔離屏障包括防護服、口罩等產品。

2.1 PTFE微孔膜在醫用防護服領域的應用

根據使用特性，醫用防護服分為一次性醫用防護服、可重復使用醫用防護服兩種。

一次性醫用防護服主要是非織造復合材料產品，我國執行的產品標準為GB 19082-2009《醫用一次性防護服技術要求》，指標體系包括防護性、舒適性和力學性能指標，具體指標包括抗滲水性、透濕量、抗合成血液穿透性、表面抗濕性、斷裂強力、斷裂伸長率、過濾效率、阻燃性能、抗靜電性、靜電衰減性能、皮膚刺激性、微生物指標、環氧乙烷殘留量等，對液體阻隔、顆粒物阻隔、透濕性等均有要求。

PTFE微孔膜的高液體阻隔性、高顆粒物阻隔性和高透濕透氣性使其非常適合用于可重復使用醫用防護服面料。

早在20世紀70年代，美國GORE公司率先進行PTFE微孔膜與織物復合面料產品開發[4]。GORE公司生產的外科隔離膜類（CROSSTECH EMS）織物是第一種符合ASTM 1671標準的可重復使用隔離織物，被美國、加拿大和歐洲手術室醫護人員廣泛使用，CROSSTECH EMS醫用織物能有效阻隔血液、體液、普通化學藥品的滲透，并具有良好的透濕性，提供的防護性能和舒適性高于其他層壓或涂層產品[5]。

我國對PTFE微孔膜的研究始于20世紀70年代，但直到21世紀初才有產品推向市場[6]。2003年非典肺炎爆發，導致國內醫用防護服一度短缺，郝新敏[7]等人將PTFE微孔復合膜與純棉或純滌面料采用層壓工藝制成“非典”防護面料，并通過嵌織有機導電纖維提供抗靜電性能，面料綜合防護性能超過國標GB 19082-2003的要求，并可經15次消毒和洗滌重復使用，為2003年的抗擊非典作出了貢獻。

王歡[8]等人研究將聚酰亞胺纖維面料與PTFE微孔膜進行復合，開發可重復使用醫用防護服面料，洗滌和消毒10次前后復合面料的性能指標均能滿足GB 19082-2003要求，其消毒方法為121℃高壓蒸汽滅菌30min，洗滌和消毒10次后透濕性能從6725g/（m2.d）下降至3940g/（m2.d），抗合成血液穿透性從4級下降至3級，其他指標變化不大。

姚登輝[9]等人研究了復用醫用手術服面料，將多溝槽異截面高親水滌綸有色絲經編面料與PTFE微孔膜用熱熔膠進行復合，所用PTFE微孔膜的厚度為30～45μm，孔徑為10～50nm，經80次醫用洗滌—烘干—消毒處理后，各項指標都符合YY/T 0506.2-2016《病人、醫護人員和器械用手術單、手術衣和潔凈服》的要求。

PTFE微孔膜在醫用防護服、手術衣等方面的應用將越來越廣。

2.2 PTFE微孔膜在醫用口罩方面的應用

口罩是重要的醫用防護物資，其主要作用為阻擋飛沫傳染。目前醫用口罩的核心過濾材料是聚丙烯熔噴布，過濾效果較好的聚丙烯熔噴布纖維的尺寸在1～6μm左右，纖維間的孔隙非常多，對粒徑1μm以下的顆粒物直接阻擋效果差，其主要過濾機理為靜電吸附，經過駐極處理的熔噴布有良好的過濾性能[10-11]。但隨著靜電的散逸，熔噴布的過濾性能下降，所以一般熔噴布口罩的有效期都在2年以內[12]。

PTFE微孔膜孔徑可控制在0.1～0.2μm左右，能直接阻擋粒徑0.3μm以上的顆粒物，其主要過濾機理為物理篩分[12]。口罩用PTFE微孔膜除了考慮過濾效率外，還要考慮氣流阻力，因此膜的厚度遠小于服裝用PTFE微孔膜，通常厚度在1μm左右，加工難度大，需要與無紡布或其他支撐材料復合后使用。

近兩年，口罩用PTFE微孔膜推出了一個團體標準T/SDAS 206-2020《口罩用聚四氟乙烯（PTFE）納米復合膜》，對非油性顆粒過濾效率、油性顆粒過濾效率、細菌過濾效率、水洗過濾效率衰減率、酒精消毒過濾效率衰減率、氣流阻力等都制定了相應的指標。以Ⅳ類產品為例，標準要求其非油性顆粒過濾效率≥95%、油性顆粒過濾效率≥95%、水洗過濾效率衰減率≤10%、酒精消毒過濾效率衰減率≤10%、氣流阻力≤175Pa。

PTFE微孔膜口罩具有過濾效率高、可重復使用的優點，但隨著顆粒物沉積，氣流阻力會上升，將PTFE微孔膜與聚丙烯熔噴布進行組合使用可開發出高性能口罩產品。

3 消防領域

消防人員在執行任務時穿著的滅火防護服對保障消防員人身安全有重要作用，根據GA 10-2014《消防員滅火防護服》的規定，消防滅火服的面料結構從外到里依此為：外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。在提高滅火防護服的熱防護性和舒適性方面，防水透氣層材料的選擇非常重要，GA 10-2014規定的透濕率指標為不小于5000g/（m2.d），耐靜水壓指標為洗滌25次后不小于50kPa，PTFE微孔膜耐熱、高透濕、防滲水的特性使其非常適合用于滅火防護服的防水透氣層。

1982年，美國GORE公司開發出復合PTFE微孔膜的GORE-TEX防潮透氣面料，并首次將這種面料應用于消防和安全領域，該面料具有持久的防水性能，并能提供優異的透氣性、熱穩定性，可以降低消防員的熱應激反應，1989年美國消防協會（NFPA）和其技術委員會將GORE公司的防潮透氣面料認定為行業標準[13]。

RL Barker[14]等將PTFE微孔膜與芳綸面料復合用于消防員防護服的隔熱層和防潮層，研究測試了復合面料的防水透濕性能等熱濕性能。劉亞光[15]研究了3層結構的消防員滅火防護服，將PTFE微孔膜、芳綸隔熱氈及均勻分布的硅膠凸點組成新型防水透氣隔熱層，熱防護性能與標準4層結構的消防員滅火防護服相近。金艷蘋[16]等研究了新型消防服隔熱層織物熱防護性及熱濕舒適性，所用的12種消防服用多層織物的防水透氣層均為PTFE微孔膜復合芳綸織物，復合織物厚度0.53mm，面密度110g/m2。蔡普寧[17]等研究了消防服用芳綸隔熱層面料的熱防護性能，以芳綸1414針刺氈為例，復合PTFE微孔膜后熱防護系數提高43.78%。邱浩[18]等在消防服多重功能的研究進展中指出PTFE微孔膜用于防水透氣層，不但具有良好的防水透氣和耐高溫性能，還具有自動抗油脂性能，可緩解以往消防服多次使用后防水透氣性能嚴重下降的問題。

綜上，PTFE微孔膜與芳綸的復合織物具有防水透氣、阻燃隔熱的特性，用于消防領域可在為消防員提供保護的同時提供更好的濕熱舒適性。

4 化學防護領域

PTFE微孔膜耐強酸、強堿、有機溶劑，即使對王水也能保持穩定性[19]，因此在化學防護領域也有廣泛應用。化學防護服包括隔絕式防護服、半透氣式防護服、透氣式防護服，PTFE微孔膜主要用于半透氣式防護服和選擇性透氣式防護服。

在化學防護領域，美國GORE公司提供從頭到腳的解決方案，GORE公司開發的PTFE微孔膜與織物復合的CHEMPAK超防護性系列面料可滿足不同場合生化防護服的要求，CHEMPAK面料為三明治結構，中間層為平米克重10g～29g的PTFE微孔膜，對氣溶膠、液態或蒸汽狀有毒化學品均可選擇性隔絕[20]。選擇透過型CHEMPAK面料可滿足NFPA 1994《危險物質應急反應人員和CBRN恐怖事件應急保護標準》類目3、3R、4、4R，和NFPA 1992《危險材料事故用防液體噴濺套裝和服裝標準》的要求。超阻隔型CHEMPAK面料可滿足NFPA 1994類目1、2、2R要求。

美國杜邦公司將PTFE微孔膜用于選擇性透氣式生化防護服，為消防員、士兵、警察等提供極端條件下的安全保障，不僅能有效防護有害物質的侵入，還能透汗、防熱，重量也僅為傳統隔絕式防護服的一半[21]。

目前國內一些企業也提供以PTFE微孔膜為阻隔層的選擇性透過式化學防護服產品，并在石油化工、應急救援等領域得到應用。

5 結論

PTFE微孔膜以其卓越的選擇透過性、化學穩定性和耐溫性而在防護領域有廣泛的應用，是重要的防水透氣阻隔材料。PTFE微孔膜與不同類型織物的復合面料可滿足不同行業的防護指標需求，在醫療衛生、消防、化工等領域發揮了重要的作用，具有很大的市場空間，但國內在PTFE微孔膜及復合面料開發方面還有不足之處，很多專業領域的應用產品開發鮮有報道，部分行業甚至依賴進口產品，需要加大科研攻關力度。