楊 帆，白艷紅

(西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710049)

2020年春節(jié)前夕，中國大面積爆發(fā)由新型冠狀病毒(2019-nCoV)引發(fā)的肺炎，新型冠狀病毒具有以下突出特征：即使在潛伏期仍具有較強(qiáng)的傳播能力、無癥狀感染者也具有傳染性、傳播方式多樣(主要通過呼吸道飛沫，眼睛、嘴或鼻的粘膜間接接觸，也存在氣溶膠和糞-口途徑傳播)和傳染能力強(qiáng)等，因此，對于防治新冠肺炎疫情，國家衛(wèi)生健康委員會(huì)疾病預(yù)防控局疫情防控組指出：佩戴口罩是預(yù)防傳染病最重要最有效的防控手段之一，可以有效降低感染新型冠狀病毒的風(fēng)險(xiǎn)。

1 醫(yī)用口罩的分類和使用

在抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情中，起重要作用的主要是醫(yī)用口罩，目前，醫(yī)用口罩主要采取多層非織造布復(fù)合的形式制備而成，分為內(nèi)、中、外三層，其中，外層是防水層，一般由紡黏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(jīng)過防水處理可以有效防止外界的飛沫等進(jìn)入口罩內(nèi)部；中間層是過濾層起過濾作用，由具有較強(qiáng)過濾作用的熔噴非織造布構(gòu)成，大多采用靜電駐極工藝對其進(jìn)行改性處理，可以過濾尺寸更加微小的粒子，是醫(yī)用口罩的核心部件；內(nèi)層是由普通紡黏、針刺或水刺法非織造布構(gòu)成的吸濕層，在保證吸濕性的同時(shí)又兼具親膚性和舒適性。按防護(hù)等級(jí)遞增的順序，可以將醫(yī)用口罩分為一次性醫(yī)用普通口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護(hù)口罩等。

1.1 一次性醫(yī)用普通口罩

是用于覆蓋使用者的口、鼻及下頜，在普通醫(yī)療環(huán)境中佩戴，阻隔口腔和鼻腔呼出或噴出污染物的一次性使用口罩，對致病性微生物以外的顆粒如花粉等有阻隔和防護(hù)作用。

1.2 外科手術(shù)口罩

主要是臨床醫(yī)護(hù)人員在有創(chuàng)操作過程中佩戴的能阻止血液、體液和飛濺物傳播的醫(yī)用口罩。符合YY0469-2004《醫(yī)用外科口罩技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用外科口罩，其對細(xì)菌的過濾效率不低于95%、對非油性顆粒的過濾效率不低于30%，醫(yī)用外科口罩在生產(chǎn)過程中通過物理或化學(xué)方法殺滅所有微生物，以達(dá)到無菌的要求，比較常用的是環(huán)氧乙烷滅菌，其環(huán)氧乙烷的殘留量需低于10 μg/g。外科醫(yī)用口罩一般已經(jīng)足夠隔離口鼻分泌物，但在確保防護(hù)功用的前提下，該種口罩最多可以使用4 h，超過4 h就必須廢棄處理，不可以再循環(huán)使用[1]。

1.3 醫(yī)用防護(hù)口罩

醫(yī)用防護(hù)口罩一般提供給專業(yè)性醫(yī)護(hù)人員使用，可以預(yù)防呼吸道傳染性微生物傳播。醫(yī)用防護(hù)口罩分為內(nèi)、中、外三層，內(nèi)層一般是紗布或無紡布，中間層是超細(xì)聚丙烯纖維熔噴材料過濾層，外層是無紡布或超薄聚丙烯熔噴材料層。醫(yī)用防護(hù)口罩的疏水透氣性好、材料無毒無害。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB19083-2003《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》，當(dāng)空氣流量(85±2)L/min時(shí)，醫(yī)用防護(hù)口罩對直徑(0.24±0.06)μm氯化鈉氣溶膠的過濾效率不低于95%，因此，醫(yī)用防護(hù)口罩的中間過濾層對微小有害氣溶膠和微塵的過濾效果良好，總體過濾效率大于95%，防護(hù)等級(jí)高。

2 口罩的作用機(jī)理

口罩?jǐn)r截空氣中顆粒的性能取決于口罩所用的材料的性能、顆粒的大小、表面電荷和空氣流速等，基于經(jīng)典過濾理論[2]，口罩過濾空氣顆粒的機(jī)制主要分為五種：

2.1 慣性撞擊

慣性是物體本身的一種固有屬性，當(dāng)直徑大于1 μm的顆粒在空氣中以高流速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在慣性沖擊作用下，纖維的高密度堆積特性會(huì)導(dǎo)致這些顆粒偏離空氣流線并附著在纖維上，進(jìn)而達(dá)到過濾的效果，且顆粒質(zhì)量越大、速度越大，越容易被過濾[3]。

2.2 攔 截

當(dāng)較細(xì)的顆粒與空氣一起流動(dòng)并以低流速接近不規(guī)則排列的纖維表面時(shí)，纖維會(huì)攔截因范德華相互作用而形成的氣溶膠顆粒。但在高空氣流速時(shí)，被纖維表面攔截的顆粒會(huì)逃逸。攔截作用是去除直徑在0.1～1 μm范圍內(nèi)的顆粒的最重要的機(jī)制，且攔截效率隨顆粒尺寸的增加而增加。

2.3 布朗運(yùn)動(dòng)

當(dāng)顆粒的直徑小于0.1 μm時(shí)，由于在空氣中被其他氣體分子不斷撞擊，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，易于被口罩的纖維表面所吸附，從而導(dǎo)致顆粒的擴(kuò)散和沉積，且微粒越小，效應(yīng)越強(qiáng)[4]。

2.4 靜電吸引

口罩材料中纖維帶電，在靜電相互作用中，由于庫倫相互作用和極化作用，帶電的氣溶膠顆?？梢哉掣降綆喾措姾傻睦w維表面且粒徑越小、質(zhì)量越輕的粒子越容易被吸引，在不增加壓力的情況下，靜電相互作用可以使顆粒更牢固地附著在纖維表面并提高去除效率。因此，經(jīng)常利用靜電相互作用來捕獲尺寸接近0.3 μm或更小的粒子[5]。

2.5 沉降作用

有害顆粒因自身重力而引起的直接沉降進(jìn)而被濾料捕獲，顆粒質(zhì)量越大，越容易被捕獲。一般來說，在使用口罩時(shí)，幾種機(jī)制共同作用以防御有害微粒等。

3 口罩的材料

熱塑性聚合物制成的熔噴布和紡黏布是醫(yī)用口罩的主要材料，其中，熔噴布是醫(yī)用口罩最重要的過濾材料，本文主要介紹聚丙烯原料以及可降解綠色纖維原料的研究現(xiàn)狀：

3.1 基礎(chǔ)原料聚丙烯及其改性加工

聚丙烯(Polypropylene)，簡稱PP，是一種半結(jié)晶的熱塑性塑料，其耐熱性能、耐沖擊性能較高，機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)韌，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定能有效抵擋多種有機(jī)溶劑和酸堿腐蝕，且成本低廉，是醫(yī)用非織造領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)原料更是醫(yī)用口罩的基礎(chǔ)原料。為了進(jìn)一步提升聚丙烯的性能以提高醫(yī)用口罩的防護(hù)性，研究者們采取了多種方法對其進(jìn)行改性處理。孟慶杰等[6]將活性炭、二氧化鈦、聚丙烯等物理共混，經(jīng)熔噴紡絲制備出活性炭負(fù)載二氧化鈦改性聚丙烯熔噴無紡布，其吸附性能明顯增強(qiáng)。歐璐等[7]通過熔融共混法成功制備了結(jié)構(gòu)疏松的纖維網(wǎng)狀二氧化硅氣凝膠/聚丙烯熔噴非織造材料，與單一聚丙烯熔噴非織造材料相比，其過濾效率提升了約50%且透氣性能有所增強(qiáng)。劉妙崢[8]在PP中摻雜有機(jī)添加劑聚四氟乙烯(PTFE)制備出PTFE/PP熔噴空氣過濾材料，有效改善了PP濾材的過濾性能，并在前期研究基礎(chǔ)上，制備了氟碳乳化劑FC6201改性PTFE/PP熔噴過濾材料，其過濾效率更為優(yōu)異，最高可以達(dá)到92.9%。

隨著生產(chǎn)工藝的成熟和人民對生命健康需求的日益提高，研究者們越來越關(guān)注醫(yī)用口罩用非織造材料的抗菌性和抗病毒性。來宇超等[9]首先通過共沉積技術(shù)將聚多巴胺(PDA)和聚乙烯亞胺(PEI)沉積到PP上改性制備P-PP熔噴材料，再借助微波輔助法將銀/還原氧化石墨烯(Ag/rGO)負(fù)載到P-PP上，制備出Ag/rGO-P-PP熔噴非織造復(fù)合材料，并以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為研究對象考察其抗菌性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag/rGO-P-PP對兩種菌種的抑菌率均大于99.99%，該研究為PP熔噴非織造材料的多功能化改性提供了新思路。

3.2 環(huán)保可降解綠色纖維原料

由新型冠狀病毒(2019-nCoV)引發(fā)的肺炎，自2020年春節(jié)前夕大面積爆發(fā)至今，醫(yī)用口罩的使用量和需求量持續(xù)增長，與此同時(shí)，產(chǎn)生了大量的廢棄口罩，聚丙烯原料的及時(shí)降解存在一定的困難，進(jìn)而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。從綠色環(huán)保理念出發(fā)，研究者們將醫(yī)用口罩材料的目標(biāo)鎖定在綠色環(huán)保、可再生且可降解的天然纖維素及其衍生物、生物基聚合物和合成高分子等領(lǐng)域，例如甲殼素、聚乳酸(PLA)、Lyocell纖維、Viloft纖維等已逐漸用于生產(chǎn)非織造材料。

Lyocell纖維的中文商品名稱為“天絲”或“木漿纖維”等，是將木漿溶于N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)溶劑體系，使木漿溶解成粘稠的紡絲液，不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)，再通過干濕方法紡制而成的新一代再生纖維素纖維，具有和天然纖維相似的耐酸性、耐氧化還原性能。Lyocell纖維在自然界中可完全降解轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，從生產(chǎn)到徹底降解全程無污染，被稱為21世紀(jì)綠色纖維。Lyocell纖維在生產(chǎn)過程中完好的保存了原有的木質(zhì)纖維素晶體，因此，Lyocell纖維分子結(jié)構(gòu)中含原纖明顯，結(jié)晶度高，表現(xiàn)出較高強(qiáng)力特別是濕強(qiáng)力、具有良好的吸水性和透氣性等優(yōu)異特性，因而在非織造布、工業(yè)濾布等方面有著廣泛的應(yīng)用[10]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和Lyocell纖維研究的不斷推進(jìn)，研究者們越來越關(guān)注Lyocell纖維的功能化改性，如抗紫外改性、阻燃改性、抗菌改性等。纖維素分子具有親水基團(tuán)，適宜于微生物的繁殖和生長，而Lyocell纖維制品廣泛用于生產(chǎn)衣物和醫(yī)療紡織品等，因此，具有抗菌性能的Lyocell纖維的開發(fā)具有重要意義和良好的應(yīng)用前景。Ibrahima采用N2-等離子體對Lyocell纖維進(jìn)行預(yù)改性處理，從而在纖維表面修飾生成新的-NH2活性位點(diǎn)，再將納米銀顆粒吸附在改性后的纖維活性位點(diǎn)上，制得的功能化纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抗菌活性[11]。Janjic[12]先使用高碘酸鉀氧化Lyocell纖維以增加醛含量形成二醛纖維素，纖維素的醛基與殼聚糖的游離氨基反應(yīng)，從而將殼聚糖接枝到纖維素上，制備出殼聚糖包衣的Lyocell纖維，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種纖維能夠有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，且對金黃色葡萄球菌具有更強(qiáng)的殺菌作用。王兆明等[13]分別將兩種有機(jī)小分子抗菌劑(有機(jī)胍類和季銨鹽類)和兩種無機(jī)抗菌劑(無機(jī)納米粉體)加入Lyocell溶液中并紡絲，結(jié)果表明，添加了抗菌劑的幾種纖維對不同的菌種如革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌等分別產(chǎn)生了不同程度的抗菌性，當(dāng)添加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的有機(jī)硅季銨鹽類抑菌劑時(shí)，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達(dá)到100%和88%。

聚乳酸纖維(Polylactic Acid Fiber)簡稱PLA纖維，是一種新型的可生物降解和生物相容的綠色環(huán)保型纖維，其制備原料為玉米、小麥、甜菜等富含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品，先將農(nóng)產(chǎn)品原料發(fā)酵制成乳酸，經(jīng)縮合和聚合反應(yīng)制成聚乳酸，再與耦合劑作用制成高分子量聚乳酸，最后經(jīng)化學(xué)改性等使其纖維化得聚乳酸纖維。聚乳酸纖維經(jīng)微生物作用最終可分解成CO2和H2O，燃燒時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，不會(huì)污染環(huán)境，且原料可種植，因此，聚乳酸纖維是一種可再生、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型綠色纖維。邢劍等[14]以聚乳酸樹脂為原料，聚丙烯熔噴紡粘非織造材料為基布，通過溶液靜電紡絲技術(shù)在聚丙烯非織造材料上直接進(jìn)行靜電紡絲接收，實(shí)驗(yàn)中改變紡絲電壓和紡絲時(shí)間以調(diào)節(jié)靜電紡納米纖維氈的層數(shù)和纖維直徑，成功制備出梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，再對制備的復(fù)合過濾材料進(jìn)行過濾性能測試，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的過濾性能，對0.3 μm和0.5 μm顆粒的過濾效率最高分別達(dá)到92.29%和98.86%。

PLA熔噴駐極體織物因其優(yōu)異的性能已成為非常具有吸引力的過濾材料而應(yīng)用于空氣過濾器。其過濾性能取決于駐極體產(chǎn)生的靜電效應(yīng)，如何改善駐極體性能進(jìn)而提高其過濾效率一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。Zhang等[15]通過電暈充電技術(shù)形成了三種具有不同形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)的熔噴PLA駐極體，并研究了其過濾性能，結(jié)果表明，形成駐極體后，三種熔噴樣品的空氣過濾效率均大大提高。肖愛菊[16]以PLA為基體，聚3-羥基丁酸酯(PHBV)為增韌材料，并添加一定量的氧化石墨烯(GO)以改善PLA和PHBV的相容性，采用微型熔噴機(jī)制備出PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料，測試結(jié)果表明，與純PLA熔噴材料相比，PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料的過濾效率較大且對金黃色葡萄球菌有抑菌作用，為PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用提供參考。蔡誠等[17]以納米SiO2為駐極體，經(jīng)表面改性與聚乳酸復(fù)合，先制備出納米SiO2/PLA復(fù)合熔噴切片，再通過工業(yè)級(jí)熔噴生產(chǎn)線制備出納米SiO2/PLA復(fù)合熔噴非織造材料，由于駐極體納米SiO2的添加，使得PLA非織造材料的過濾機(jī)制除了布朗運(yùn)動(dòng)、攔截作用、慣性碰撞、沉降作用外，還大大加強(qiáng)了靜電吸附作用，結(jié)果表明，與純PLA相比，納米SiO2駐極體的加入有助于PLA過濾效率的提高，過濾效率最高達(dá)到99.69%，體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為未來PLA纖維的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用提供了依據(jù)。

靜電紡納米纖維具有吸附能力強(qiáng)、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)異特性，因此，對微納米顆粒的捕獲能力較強(qiáng)，在空氣過濾領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但靜電紡納米纖維的強(qiáng)力較低、易因顆粒物較大阻塞孔徑而失效[18-19]，因此，靜電紡納米纖維難以單獨(dú)用作過濾材料，通常以非織造過濾材料為基布與靜電紡納米纖維復(fù)合，從而制備高過濾性能的復(fù)合材料。Liu等[20]將少量的聚偏二氟乙烯(PVDF)摻入到醋酸纖維素(CA)中，通過靜電紡絲技術(shù)，成功制備出CA/PVDF復(fù)合納米纖維膜，為增強(qiáng)復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度，采用簡單有效的溶劑蒸汽誘導(dǎo)的方式進(jìn)行交聯(lián)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過電紡絲后再進(jìn)行溶劑蒸汽誘導(dǎo)交聯(lián)制備的納米纖維膜具有巨大的分離和過濾應(yīng)用潛力。當(dāng)今世界，顆粒物污染和呼吸道傳染性疾病的傳播已經(jīng)為全球經(jīng)濟(jì)和公共衛(wèi)生造成重大負(fù)擔(dān)，研究者們竭盡全力尋求不同的路徑以解決該類問題，Zhang等[21]采用電子沉積技術(shù)制備出超輕、厚度極低且機(jī)械性能優(yōu)異的自組裝納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過濾材料，對PM2.5的過濾效率高達(dá)99.61%，對PM0.3的過濾效率也能達(dá)到85.6%，可以用作剛性固體或軟油PM甚至是生物危害性病原體的多功能過濾器，該項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)和開發(fā)用于各種過濾和分離應(yīng)用的高性能纖維材料提供了靈感，也有望于應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)和醫(yī)療設(shè)備等方面。

4 結(jié) 語

新型冠狀病毒肺炎疫情在全球的蔓延，對防護(hù)口罩的生產(chǎn)能力和新型口罩材料的研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)，環(huán)保降解、可重復(fù)利用且舒適度高的口罩材料是未來研究的方向，此外，口罩與人工智能技術(shù)的融合將是研究的趨勢和重點(diǎn)。