醫(yī)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(dāng)陽市鴻陽新材料科技有限公司,湖北 當(dāng)陽444100;2.武漢紡織大學(xué)技術(shù)研究院,湖北 武漢430200)

近期,爆發(fā)于2019年底并持續(xù)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(yán)重影響,引起了廣泛關(guān)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(nèi)所使用的都是普通棉紗口罩,這種口罩織物結(jié)構(gòu)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(yī)療衛(wèi)生水平的提升,目前已經(jīng)基本上使用由非織造材料制備的即用即棄式一次性醫(yī)用口罩。與傳統(tǒng)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(lǐng)域的不斷拓展,醫(yī)用非織造材料的相關(guān)內(nèi)容也在不斷進行研究和創(chuàng)新,結(jié)合當(dāng)前的形勢,對防護用醫(yī)用口罩常用非織造原料和生產(chǎn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了概述和分析,以期對醫(yī)用口罩用非織造材料的進一步發(fā)展提供部分思路。

1 口罩的結(jié)構(gòu)與防護機理

1.1 口罩的類別與結(jié)構(gòu)

常見口罩一般分為2 類:普通口罩和醫(yī)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(yī)用口罩一般可分為4類:一次性使用醫(yī)用普通口罩、醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用顆粒物防護口罩和醫(yī)用防護口罩,其防護等級依次遞增。

醫(yī)用口罩按照外形可分為平面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu),醫(yī)用外科口罩和一次性醫(yī)用口罩為平面型結(jié)構(gòu),醫(yī)用防護口罩為三維拱形立體結(jié)構(gòu)[4]。醫(yī)用口罩采取多層非織造布復(fù)合的形式,大多由外層防水層、中間過濾層及內(nèi)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(jīng)過防水處理可以有效防止外界的飛沫入內(nèi);中層的過濾層由具有較強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(nèi)層由普通紡黏、針刺或水刺法非織造布構(gòu)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(shù)層面分析,根據(jù)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(yīng)。當(dāng)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(yīng)。當(dāng)氣流經(jīng)過纖維排列緊密而又交錯復(fù)雜的纖維層時,質(zhì)量較大的粒子在慣性作用下繼續(xù)維持原有狀態(tài)并迅速撞擊到纖維表面而沉積下來。

(3)擴散效應(yīng)。氣體分子在熱運動過程中與小微粒產(chǎn)生碰撞,粒子產(chǎn)生不規(guī)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(yīng)。經(jīng)過靜電駐極處理讓纖維帶上靜電,粒徑較小、輕質(zhì)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(yīng)。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(yī)用口罩材料里發(fā)揮主要作用的是攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)和靜電效應(yīng)[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(yīng)進而增強吸附過濾作用,是醫(yī)用口罩極為重要的工藝環(huán)節(jié)。

2 醫(yī)用口罩的非織造原料

醫(yī)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(huán)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(yī)護人員由于長時間佩戴口罩會導(dǎo)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(huán)境保護造成了壓力。

2.1 常用基礎(chǔ)原料

聚丙烯(PP)母粒為目前常用醫(yī)用口罩的基礎(chǔ)原料,具有成本低廉,耐熱性良好和物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,一直作為優(yōu)質(zhì)原料廣泛應(yīng)用于醫(yī)用非織造領(lǐng)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(xué)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(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)外,如何增強其抗菌性和抗病毒性常常也是研究者們關(guān)注的重點。東華大學(xué)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(wěn)定;然后以在線復(fù)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(fù)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(fù)合,制備出改性TiO2/紡黏-熔噴(SM)抗菌復(fù)合濾材。Pongpol Ekabutr等[11]用不同濃度的天然物質(zhì)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(jié)果均表現(xiàn)出良好的抗菌效果,有望應(yīng)用于醫(yī)用口罩的研究與生產(chǎn)。

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(yī)用口罩使用量極速且持續(xù)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(huán)境造成污染。因此,可降解非織造原料從綠色環(huán)保角度來說是優(yōu)選,具有深遠的意義。近年來,綠色環(huán)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(yīng)用于非織造材料的生產(chǎn)[12]。

采用NMMO 溶劑法生產(chǎn)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(chǎn)到降解完成全程無污染,完全遵循現(xiàn)代綠色理念,是深受人們喜愛的21 世紀(jì)“綠色纖維”;同時其具有較高的強力(尤其是濕態(tài)強力)、良好的吸濕性和天然的透氣性等優(yōu)異特性,因而迅速成為優(yōu)質(zhì)新型紡織原料,并通過熔噴、針刺、水刺等工藝應(yīng)用于非織造領(lǐng)域[13]。利用針刺法可以將Lyocell纖維的高強度特性轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)蓬松性與材料吸濕能力都更好。利用Lyocell纖維在濕態(tài)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(shù)工藝的基礎(chǔ)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(xué)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?zhí)幚?增強了Lyocell非織造布的親膚性能和生物相容性,增大了其應(yīng)用于醫(yī)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(yōu)良的新型生物降解合成高分子材料,有著較好的力學(xué)強度。PLA 熔噴駐極體非織造材料已應(yīng)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(nèi)容。Jianfeng Zhang等[17]采用電暈充電技術(shù)形成駐極體,制備出多種形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)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(tài)和晶體結(jié)構(gòu)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(xù)加工和應(yīng)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(chǎn)中往往會對PLA 進行改性處理以改善其力學(xué)性能。清華大學(xué)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(huán)氧大豆油(ESO)和PEG 作為增塑劑對PLA 進行復(fù)合改性,得到了駐極體-增塑劑/PLA 熔噴非織造復(fù)合材料,在使其過濾性能優(yōu)良、生物可降解的同時獲得了可后續(xù)加工的能力,在未來的規(guī)?；a(chǎn)中具有重大應(yīng)用潛力。

此外,已有部分國家或地區(qū)將生物基聚合物應(yīng)用于可降解非織造領(lǐng)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(gòu)成,其外層由PE 構(gòu)成,不僅結(jié)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(yīng)用于醫(yī)用口罩表層面料的潛力[3]。

3 醫(yī)用口罩材料的非織造技術(shù)

3.1 靜電駐極熔噴技術(shù)

在醫(yī)用口罩的生產(chǎn)中,最關(guān)鍵的是中間層過濾材料熔噴布,原料多為PP,經(jīng)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(wǎng),加固成布,最后經(jīng)駐極處理提高過濾效率。其中,關(guān)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(yīng)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(wěn)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(wǎng)后熔噴布的耐磨性和力學(xué)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(huán)境中周圍的離子侵蝕,不可避免地使駐極體產(chǎn)生靜電散逸,從而導(dǎo)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(xué)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(fù)合工藝制得了亞高效過濾性能材料,在原純?nèi)蹏姴嫉幕A(chǔ)上顯著提升了力學(xué)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(jié)構(gòu)蓬松,駐極體性能有了明顯的改善,擁有較高的孔隙率和優(yōu)異的過濾性能,可能成為應(yīng)用于防護用口罩的良好選擇。

3.2 靜電紡絲技術(shù)

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(shè)備簡單、操作便捷、成本較低,且得到的產(chǎn)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(xué)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(fù)合材料,在單一PP熔噴非織造布的基礎(chǔ)上增強了其吸附和過濾性能,并發(fā)現(xiàn)在紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)用于一次性醫(yī)用口罩,增強了口罩的舒適性和病毒防護性。江南大學(xué)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(fā)了基于聚丙烯腈纖維的抗菌材料,可應(yīng)用于防護口罩,以切斷病毒的傳播。與靜電駐極熔噴技術(shù)相比,采用靜電紡絲技術(shù)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(shù)往往也伴隨著纖維直徑不均勻,材料力學(xué)強度不夠等缺陷,還需要進行更加完備的技術(shù)改進。

4 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟水平的快速增長,醫(yī)療衛(wèi)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(yī)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(xiàn)多元化。高效的性能要求也推動著現(xiàn)代防護用口罩非織造材料在原料和技術(shù)方面的不斷探索和改進,開發(fā)更加環(huán)保高效的纖維原料和更加成熟穩(wěn)定的技術(shù)將是大勢所趨。未來還需要加大醫(yī)用防護性口罩材料領(lǐng)域尤其是核心部件中層濾芯的研發(fā)投入,不斷創(chuàng)新和發(fā)展,以提高現(xiàn)代醫(yī)用口罩的綜合性能。