朱懷球 葉翔宇 劉芙蓉

摘 要：針對(duì)口罩生產(chǎn)關(guān)鍵材料熔噴非織造過(guò)濾材料（俗稱(chēng)“熔噴布”）供不應(yīng)求的局面，探討聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩過(guò)濾材料的可行性。測(cè)試了不同過(guò)濾材料制成的口罩樣品，對(duì)比了過(guò)濾性能和壓差指標(biāo)，對(duì)聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料用于口罩生產(chǎn)的可行性以及口罩的重復(fù)使用性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估。結(jié)果表明：聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料可代替熔噴無(wú)紡布生產(chǎn)防護(hù)口罩，口罩重復(fù)使用3次，顆粒物過(guò)濾效果下降15%以?xún)?nèi)，是應(yīng)急時(shí)期防護(hù)口罩過(guò)濾材料的可替代材料。

關(guān)鍵詞：口罩;過(guò)濾材料;熔噴布;聚四氟乙烯;防護(hù)紡織品

Abstract：As a critical material for mask production， meltblown nonwoven filter material （namely meltblown fabric） is in short supply. For such situation， the feasibility of using polytetrafluoroethylene （PTFE） as a master filter material was explored. Mask samples produced by different filter materials were tested， and the filtering performance and differential pressure indicators were compared. Meanwhile， the feasibility of using PTFE-coated membrane filter materials for mask production and the reusability of masks were tested and evaluated. It was found that PTFE-coated membrane filter materials could replace melt-blown nonwoven fabrics to produce protective masks. After the mask was reused for 3 times， the particulate filtering efficiency declined by less than 15%. Hence， it is an alternative material for the protective mask filter material during emergency.

Key words：mask; filter material; meltblown; polytetrafluoroethylene; protective textiles

口罩是最重要的疫情防控資源之一，國(guó)家衛(wèi)健委發(fā)布的《新型冠狀病毒感染不同風(fēng)險(xiǎn)人群防護(hù)指南》和《預(yù)防新型冠狀病毒感染的肺炎口罩使用指南》，指出口罩是預(yù)防呼吸道傳染病的重要防線(xiàn)，可以降低新型冠狀病毒感染風(fēng)險(xiǎn)?？谡植粌H可以阻擋病人噴射飛沫，降低飛沫量和噴射速度，還可以阻擋含病毒的飛沫核，防止佩戴者吸入。因此，口罩也成了老百姓最關(guān)注的產(chǎn)品之一。

口罩的過(guò)濾性能由其結(jié)構(gòu)、組成和所帶電荷共同決定。目前原材料主要有聚酯（PET、PBT）、聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯腈（PAN）、氨綸（PU）、聚丙烯（PP）等[1]。其中，聚丙烯熔噴非織造織物價(jià)格低廉，物化性能穩(wěn)定，孔隙率高，可做成駐極體，透氣性能與過(guò)濾效率高，且環(huán)保無(wú)毒[2]，使用最為廣泛。面對(duì)目前口罩需求井噴，以聚丙烯為主要原料的熔噴布供不應(yīng)求。而聚四氟乙烯纖維非織造布具有很高的過(guò)濾效率和較低的過(guò)濾阻力[3]，本研究基于此對(duì)聚四氟乙烯覆膜材料替代“熔噴布”進(jìn)行可行性分析。

1 口罩過(guò)濾材料

口罩過(guò)濾機(jī)理非常復(fù)雜，根據(jù)其截留途徑及相互作用方式，可分為以下幾種：重力沉降、攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散、靜電吸附等作用;對(duì)亞微米顆粒物，主要靠擴(kuò)散和靜電作用[4-7]。目前市面上有望用于口罩生產(chǎn)的過(guò)濾材料主要包括駐極聚丙烯熔噴非織造布、針刺靜電棉、覆膜過(guò)濾材料等三類(lèi)。

1.1 駐極聚丙烯熔噴非織造布

以高熔指聚丙烯為主要原料，采用熔噴成網(wǎng)方法，并經(jīng)駐極處理如電暈放電工藝等生產(chǎn)制造的非織造布，主要通過(guò)靜電吸附作用過(guò)濾顆粒物。熔噴布材料存在的問(wèn)題是，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，特別是在高濕度/高溫環(huán)境中或者經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的預(yù)處理步驟之后，會(huì)發(fā)生靜電衰減，導(dǎo)致過(guò)濾效率下降。有質(zhì)量不穩(wěn)定的熔噴布，靜電維持時(shí)間不超過(guò)1個(gè)月，過(guò)濾效率從初始的90%以上下降到不到40%，導(dǎo)致口罩不合格。該材料作為綜合性?xún)r(jià)比最高的材料，一直應(yīng)用于口罩生產(chǎn)。但浙江省內(nèi)熔噴布供需緊張，價(jià)格從2019年底不到3萬(wàn)元/t迅速上漲到了2020年3月初的30萬(wàn)元/t以上。

1.2 針刺靜電棉

以?xún)煞N及以上不同摩擦帶電性能的短纖為主要原料，采用針刺成網(wǎng)方法生產(chǎn)制造的非織造布，主要通過(guò)靜電吸附作用過(guò)濾顆粒物。該材料多用于空氣凈化的粗濾過(guò)程，過(guò)濾效率較好、壓差低，容塵量高。針刺靜電棉材料在生產(chǎn)過(guò)程中與做成口罩成品后，存有短纖脫落或鉆出的風(fēng)險(xiǎn)。本研究不對(duì)該材料進(jìn)行論證。

1.3 超高效空氣凈化聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料

超高效空氣凈化聚四氟乙烯覆膜材料具有過(guò)濾效率高、阻力大的特點(diǎn)，通過(guò)原料改性、工藝調(diào)整等，可加工不同孔徑、不同微孔形狀、不同孔隙率的薄膜。薄膜材料形貌在微米級(jí)尺度上，細(xì)纖維（大量，纖維直徑幾十個(gè)納米）和粗纖維（少量，纖維直徑微米級(jí)）混雜（熔噴布纖維直徑多在1～8 μm），厚度控制在幾十微米以?xún)?nèi)，這樣可使其過(guò)濾效率從99%降低到90%，同時(shí)壓差可與駐極聚丙烯熔噴非織造布相當(dāng)。聚四氟乙烯雙向拉伸微孔薄膜以PTFE樹(shù)脂為原料，經(jīng)混料、擠壓、擠出、壓延、雙向拉伸等特殊工藝制成;該膜的強(qiáng)度很低，需要復(fù)合到各種支撐材料上，目前基材使用較多的是聚丙烯紡黏無(wú)紡布、聚丙烯/聚乙烯熱風(fēng)無(wú)紡布。PTFE復(fù)合技術(shù)要求很高，一般分為高溫?zé)釅簭?fù)合和膠復(fù)合兩種。覆膜材料過(guò)濾性能主要由聚四氟乙烯雙向拉伸膜的性能決定。

典型的聚四氟乙烯雙向拉伸薄膜微孔結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]，聚四氟乙烯覆膜材料是表層過(guò)濾行為，過(guò)濾機(jī)理是機(jī)械篩分過(guò)濾，相較駐極聚丙烯熔噴非織造布材料的深層過(guò)濾行為，使用過(guò)程中需注意呼吸阻力上升情況。聚四氟乙烯覆膜材料的顆粒物過(guò)濾，不存在靜電吸附行為而且聚四氟乙烯材質(zhì)穩(wěn)定，在儲(chǔ)存過(guò)程中或經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的預(yù)處理步驟之后，覆膜材料過(guò)濾效率不會(huì)衰減。在工業(yè)除塵領(lǐng)域，由于聚四氟乙烯材料具有極低的表面張力，潤(rùn)滑性高，同時(shí)顆粒物沉積在濾料表面形成濾餅，易于清洗操作，多通過(guò)高壓脈沖反吹過(guò)程使濾料再生，使用壽命一般可在3年以上。此外聚四氟乙烯材料和聚丙烯材料均可耐受100 ℃以上高溫。

目前桐鄉(xiāng)市健民過(guò)濾材料有限公司、湖州禾海材料科技有限公司和湖州森諾氟材料科技有限公司等3家企業(yè)的送檢樣品均已評(píng)估通過(guò)，具體過(guò)濾性能指標(biāo)如表1。

本研究對(duì)聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料的安全性、聚四氟乙烯覆膜口罩的性能以及經(jīng)高溫?zé)崴莺笾貜?fù)使用性能進(jìn)行了測(cè)試。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

桐鄉(xiāng)市健民過(guò)濾材料有限公司提供的平方米質(zhì)量為30 g/m2和50 g/m2的2種覆膜材料，可類(lèi)似熔噴非織造布進(jìn)行分切成卷?；臑闊犸L(fēng)非織造布，通過(guò)高溫?zé)釅簭?fù)合。實(shí)物圖如圖2所示。

2.2 口罩打樣

由桐鄉(xiāng)市健民過(guò)濾材料有限公司委托桐鄉(xiāng)市崇福利民衛(wèi)生用品廠打樣。選用常用的平方米質(zhì)量為25 g/m2的紡黏無(wú)紡布作為上下層，中間層的過(guò)濾材料采用上述平方米質(zhì)量為30 g/m2和50 g/m2的2種覆膜材料，采用平面口罩機(jī)和耳帶焊接機(jī)，制成口罩尺寸為9.5 cm×17.5 cm的耳帶式平面口罩，用于試驗(yàn)一（口罩性能的驗(yàn)證）。

2.3 萬(wàn)事利集團(tuán)縫紉機(jī)打樣

按照《浙江省日常用防護(hù)口罩生產(chǎn)工藝指導(dǎo)書(shū)（暫行）》規(guī)定的工藝生產(chǎn)，選用常用的平方米質(zhì)量為25 g/m2的紡黏無(wú)紡布作為上下層，中間層的過(guò)濾材料采用上述兩種覆膜材料。制作成平面型一次性民用防護(hù)口罩，用于試驗(yàn)一（口罩性能的驗(yàn)證）和試驗(yàn)二（口罩重復(fù)使用性能驗(yàn)證）。

2.4 模擬家庭情況清洗消毒

將口罩樣品放在合適的容器中，然后倒入剛剛燒開(kāi)的開(kāi)水，浸泡30 min后取出自然懸掛晾干;更換熱水，模擬多次清洗消毒過(guò)程。

2.5 測(cè)試方法

依據(jù)《浙江省緊急防護(hù)民用口罩生產(chǎn)指南（暫行）》、GB 18401—2010《國(guó)家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》和GB 31701—2015《嬰幼兒及兒童紡織產(chǎn)品安全技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以每批次最低過(guò)濾效率和防護(hù)效果數(shù)值為實(shí)測(cè)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 材料安全性

企業(yè)提供了原材料和覆膜材料符合歐盟Rohs指令的檢測(cè)報(bào)告。依據(jù)紡織產(chǎn)品強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18401—2010《國(guó)家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》和GB 31701—2015《嬰幼兒及兒童紡織產(chǎn)品安全技術(shù)規(guī)范》要求，測(cè)試了甲醛含量、pH值、禁用偶氮染料和鄰苯二甲酸酯等項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)甲醛、禁用偶氮染料和鄰苯二甲酸酯等未檢出，pH值為6.4，符合紡織品嬰幼兒級(jí)別安全技術(shù)要求。

3.2 口罩性能

熔噴非織造濾材作為防護(hù)口罩的核心過(guò)濾層，具有纖維細(xì)度較細(xì)、比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)。熔噴非織造濾材經(jīng)駐極處理后，會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)，對(duì)顆粒物進(jìn)行攔截，實(shí)現(xiàn)較高的過(guò)濾效率。根據(jù)現(xiàn)行防護(hù)口罩的標(biāo)準(zhǔn)要求，口罩的顆粒物過(guò)濾效率至少在90%以上。

2批次手工縫制口罩，經(jīng)測(cè)試均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

自動(dòng)化口罩機(jī)生產(chǎn)的口罩，同樣符合防護(hù)口罩的過(guò)濾效率要求（過(guò)濾效率90.6%）。聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料可滿(mǎn)足口罩用縫紉機(jī)和全自動(dòng)口罩機(jī)生產(chǎn)的要求，和采用熔噴布過(guò)濾材料生產(chǎn)的口罩相比，聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料沒(méi)有特殊工藝要求。

3.3 口罩重復(fù)使用性能

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)水倒入后能馬上浸透口罩樣品，樣品取出后外觀無(wú)明顯變化。樣品吸附較多水分（基材吸附），可用手?jǐn)D出。自然懸掛過(guò)夜后，樣品晾干，干燥后外觀無(wú)明顯變化。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，其可以保持較好的過(guò)濾性能。推測(cè)過(guò)濾效率稍有下降的原因是，水分干燥過(guò)程中，聚四氟乙烯薄膜孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了輕微變化（用手?jǐn)D壓水分，因水分揮發(fā)的表面張力，與基材、黏結(jié)材料不同的收縮等）。

開(kāi)水浸泡次數(shù)對(duì)過(guò)濾效率結(jié)果影響不明顯，說(shuō)明可以多次重復(fù)使用。

作為疫情期間熔噴布供應(yīng)不足的特殊時(shí)期，聚四氟乙烯覆膜材料是一種很好的替代材料，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)濾病毒的防護(hù)效果?；谠撗芯砍晒?020年3月2日，浙江省疫情防控醫(yī)療物資〔2020〕52號(hào)《關(guān)于印發(fā)《浙江省日常用防護(hù)口罩過(guò)濾材料指南（暫行》的通知》，將聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料納入指南。聚四氟乙烯覆膜過(guò)濾材料符合國(guó)家紡織產(chǎn)品安全技術(shù)規(guī)范要求，技術(shù)指標(biāo)設(shè)置為過(guò)濾效率90%，壓差150 Pa，可供應(yīng)急時(shí)期民用防護(hù)口罩使用。2020年3月3日，浙江省經(jīng)信廳主持召開(kāi)首場(chǎng)新型可循環(huán)使用的防疫口罩材料推薦發(fā)布會(huì)，介紹了浙江朝暉過(guò)濾技術(shù)股份有限公司研發(fā)的防疫口罩材料——納米級(jí)覆膜材料，可優(yōu)化替代口罩生產(chǎn)關(guān)鍵材料“熔噴布”，緩解當(dāng)前口罩生產(chǎn)材料短缺的困境。通過(guò)簡(jiǎn)單高溫?zé)崴竞?，該材料可以反?fù)使用。其高效、易清潔的性能，優(yōu)于同等級(jí)別的熔噴布。

4 結(jié) 語(yǔ)

聚四氟乙烯覆膜材料可以作為防護(hù)口罩濾材使用，其具有過(guò)濾效率高且基本不會(huì)發(fā)生衰減、可洗滌后重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)，采用該材料制備的口罩可以保障過(guò)濾效率底限，但存有因鹽性顆粒物沉積導(dǎo)致過(guò)濾阻力迅速增加的風(fēng)險(xiǎn)[9]，不宜給有呼吸系統(tǒng)疾病的消費(fèi)者、老年人、兒童以及孕婦使用。建議口罩企業(yè)采用聚四氟乙烯覆膜材料和駐極聚丙烯熔噴非織造布組合的過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高過(guò)濾效率、低初始阻力和緩慢的阻力上升速率，特別是考慮到醫(yī)院特殊的使用環(huán)境（高酒精濃度、消毒劑濃度）和醫(yī)護(hù)人員呼吸暖濕潮氣會(huì)加速駐極熔噴布材料的靜電衰減，兩者組合的過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)非常適合用作GB19083—2010醫(yī)用防護(hù)口罩生產(chǎn)。

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