可重復(fù)使用防護(hù)口罩的制備與性能評(píng)估

汪澤幸 吳桂林 吳 璠 何 斌 陳小英

（1.湖南工程學(xué)院，湖南湘潭，411104；2.深圳市微納先材科技有限公司，廣東深圳，518035；3.東莞健賢紡織品科技有限公司，廣東東莞，523916）

目前，口罩多采用聚丙烯（PP）紡黏無紡布和熔噴無紡布制備而成，其主要依靠熔噴無紡布所帶靜電產(chǎn)生的吸附作用而實(shí)現(xiàn)高效過濾效果，但其靜電效應(yīng)受環(huán)境溫度、濕度、時(shí)間等因素的影響［1?2］，防護(hù)效果失效難以判定。此外，現(xiàn)有口罩多為一次性，且不可自然降解，對(duì)環(huán)境的危害性極高。疫情防控期間，為緩解口罩供應(yīng)緊張局面和降低環(huán)境壓力，眾多學(xué)者在一次性口罩的可重復(fù)利用方法以及可重復(fù)使用口罩制備等方面進(jìn)行了有益的探索。對(duì)于一次性口罩，可根據(jù)過濾材質(zhì)類型選用干熱消毒、熱水浸泡、酒精浸泡或噴灑、84消毒液浸泡、微波消毒、紫外消毒、射線輻照消毒或環(huán)氧乙烷滅菌法等方式對(duì)口罩進(jìn)行消毒再生［3?5］。但考慮到PP熔噴無紡布的機(jī)械性能以及消毒方式對(duì)靜電荷性能的影響，現(xiàn)有以PP熔噴無紡布為核心過濾層的口罩并不適宜采用直接水洗或酒精消毒［6?7］。此外，現(xiàn)有口罩多采用純鋁或鐵芯鼻梁條，因微波會(huì)在金屬中產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生大量的熱量，可能導(dǎo)致金屬熔化，造成口罩損壞，甚至產(chǎn)生火花或爆炸，因而采用含金屬材質(zhì)鼻梁條的口罩，亦不適宜采用微波消毒。

在可重復(fù)使用口罩方面，采用聚四氟乙烯覆膜材料為核心過濾層的防護(hù)口罩，經(jīng)3次沸水浸泡后，其過濾效率下降15%左右［8］；而采用膨體聚四氟乙烯膜制備的口罩，經(jīng)3種消毒方式（沸水煮、75%酒精和84消毒液）整體消毒20次后，其過濾效率依然保持在95%以上。但現(xiàn)有研究均未能考慮消毒流程對(duì)口罩呼吸阻力的影響，亦未考慮核心過濾材料和面層面料的耐洗滌性能。

在佩戴過程中，口罩與皮膚接觸等部位易臟污、滋生細(xì)菌，影響衛(wèi)生；微細(xì)顆粒物的沉積亦會(huì)導(dǎo)致口罩的過濾阻力增加，影響佩戴舒適性?，F(xiàn)有消毒方式主要考慮對(duì)口罩表面殘留細(xì)菌或者病毒的殺滅作用和對(duì)過濾效率的影響，無法有效去除口罩表面臟污和沉積的微細(xì)顆粒物。對(duì)于可重復(fù)使用口罩，不僅需要關(guān)注消毒方式對(duì)口罩防護(hù)性能和呼吸阻力的變化，還需考慮其耐洗滌性能。

本研究基于靜電紡絲制備的聚酰亞胺（PI）納米纖維膜與機(jī)織物面料制備防護(hù)口罩，對(duì)其視野、死腔、呼吸阻力、過濾效率、總泄漏率等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和分析，以評(píng)估所制備口罩的防護(hù)效果和舒適性；對(duì)洗滌后防護(hù)口罩的呼吸阻力和過濾效率進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估其耐洗滌性能。

1 樣品制備與性能測(cè)試

1.1 試驗(yàn)材料

考慮到耐用性，選用單位面積質(zhì)量為150 g/m2的滌/棉90/10機(jī)織物為外層面料，單位面積質(zhì)量為125 g/m2的棉/麻90/10機(jī)織物為內(nèi)層面料，單位面積質(zhì)量為4 g/m2的靜電紡絲PI納米纖維膜為過濾層（江西先材納米纖維科技有限公司提供）?？紤]到防護(hù)口罩需具有一定的剛度，以確保呼吸過程中，防護(hù)口罩內(nèi)表面不與面部、口鼻直接接觸，并形成一定體積的腔體，增加有效透氣面積，選用單位面積質(zhì)量為28 g/m2的純滌綸經(jīng)編網(wǎng)布為支撐層。

1.2 樣品制備

1.2.1 復(fù)合面料制備

PI納米纖維膜單位面積質(zhì)量較低、納米纖維表面能較高且靜電現(xiàn)象明顯，易黏手，不便于后續(xù)加工。此外，PI納米纖維膜因在制備過程中歷經(jīng)單向牽伸作用，其雙向拉伸力學(xué)性能差異顯著，由其制備的防護(hù)口罩在使用和洗滌過程中，在外力作用下易產(chǎn)生撕破現(xiàn)象，導(dǎo)致防護(hù)性能降低或失效。

基于此，采用濕氣固化反應(yīng)型聚氨酯（Poly?urethane Reactive，PUR）熱熔膠點(diǎn)黏合方式制備外層用滌棉織物/PI納米纖維膜復(fù)合面料和內(nèi)層用經(jīng)編網(wǎng)布/棉麻織物復(fù)合面料。為兼顧防護(hù)口罩的透氣性和耐用性，PUR熱熔膠上膠量控制在18 g/m2～20 g/m2范圍內(nèi)。

1.2.2 防護(hù)口罩樣品制備

為確保防護(hù)效果，并提高有效過濾面積，使用對(duì)稱折疊結(jié)構(gòu)形式在口鼻處形成空腔，并可確保防護(hù)口罩與鼻梁、下巴部位具有良好的吻合性?？紤]到現(xiàn)有鼻梁條耐折性較差、可塑性不強(qiáng)，無法確?？谡峙c鼻梁處的密封性，故在防護(hù)口罩制備過程中，選用耐折性好、可塑性強(qiáng)的特種合金材料制備的專用鼻梁條，以確保防護(hù)口罩與鼻梁處具有較好的密封性。防護(hù)口罩結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。防護(hù)口罩樣品由東莞健賢紡織品科技有限公司采用縫紉法制備而成。

圖1 防護(hù)口罩結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 性能測(cè)試

樣品制備前，依據(jù)GB 18401—2010《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》，委托中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)檢測(cè)中心（東莞）根據(jù)GB/T 7573—2009《紡織品 水萃取液p H值的測(cè)定》、GB/T 2912.1—2009《紡織品 甲醛的測(cè)定 第1部分：游離和水解的甲醛（水萃取法）》和GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取贩謩e對(duì)滌棉織物、棉麻織物的p H值、甲醛含量與摩擦色牢度進(jìn)行測(cè)試。此外，亦依據(jù)GB/T 17592—2011《紡織品禁用偶氮類染料的測(cè)定》，對(duì)可分解致癌芳香胺染料的含量進(jìn)行測(cè)定。

樣品制備完成后，依據(jù)GB 2626—2019《呼吸防護(hù)用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，委托江蘇國健檢測(cè)技術(shù)有限公司對(duì)防護(hù)口罩樣品的外觀進(jìn)行檢查，對(duì)呼吸阻力、死腔、視野、過濾效率、總泄漏率進(jìn)行測(cè)試；按GB/T 8629—2017《紡織品試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程度》對(duì)防護(hù)口罩進(jìn)行50次洗滌和干燥，并依據(jù)GB 2626—2019對(duì)洗滌后的防護(hù)口罩過濾效率、呼吸阻力進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料安全性

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，外層滌棉織物與內(nèi)層棉麻織物的pH值分別為6.3和7.1，干摩擦色牢度分別為4—5級(jí)和4級(jí)，甲醛與可分解致癌類芳香胺染料均未檢出，且均無異味，符合A類紡織品（嬰幼兒紡織品）的安全技術(shù)要求。

2.2 防護(hù)口罩性能

2.2.1 外觀質(zhì)量

檢測(cè)顯示，防護(hù)口罩樣品表面無破損、變形或明顯的其他缺陷，能耐受正常使用條件和可能遇到的溫度、濕度和機(jī)械沖擊；經(jīng)溫濕度預(yù)處理和機(jī)械預(yù)處理后，樣品各部件未出現(xiàn)脫落、損壞和變形。表明所制備的防護(hù)口罩在外觀質(zhì)量方面滿足要求。

2.2.2 死腔與視野

為增加有效過濾面積，降低呼吸阻力，通常將口罩前部設(shè)計(jì)成拱形［9］，從而在口鼻處形成一定空間的腔體。腔體過小，會(huì)導(dǎo)致呼吸過程中口罩貼近臉部，影響佩戴舒適性能；腔體過大，雖可顯著提高防護(hù)口罩的有效過濾面積，但會(huì)過度降低口罩視野，直接影響佩戴者對(duì)環(huán)境的觀察能力，影響正常的活動(dòng)，在某些特殊危險(xiǎn)環(huán)境下，佩戴口罩后視野太小可能會(huì)導(dǎo)致工作上的失誤甚至?xí)斐缮ｋU(xiǎn)。為確保佩戴口罩后依然具有良好的觀察能力，GB 2626—2019要求佩戴防護(hù)口罩后，下方視野不低于35°，雙目視野不低于65%。此外，腔體過大時(shí)，因呼出的CO2氣體無法與外界進(jìn)行有效交換，導(dǎo)致口罩內(nèi)CO2氣體濃度增加，當(dāng)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，將出現(xiàn)呼吸性障礙［10］。為確保呼吸舒適，GB 2626—2019亦要求死腔不大于1%，即前一次呼氣中被重新吸入的CO2氣體的體積分?jǐn)?shù)不超過1%。設(shè)計(jì)防護(hù)口罩時(shí)，腔體的大小應(yīng)兼顧呼吸阻力、視野和死腔因素。

經(jīng)檢測(cè)，制備的防護(hù)口罩下方視野為72.2°，為國家標(biāo)準(zhǔn)下限值的2.07倍；雙目視野為86.3%，為國家標(biāo)準(zhǔn)下限值的1.32倍；死腔為0.65%，為國家標(biāo)準(zhǔn)上限值的0.65倍。表明所制備的防護(hù)口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不僅具有高視野，同時(shí)還兼具較低的死腔。

2.2.3 呼吸阻力、過濾效率與總泄漏率

口罩的主要作用為預(yù)防因吸入性致病或有害顆粒物而導(dǎo)致各種呼吸道疾病，其主要借助過濾材料將致病或有害顆粒物從空氣中過濾，高過濾效率是確?？谡志哂辛己梅雷o(hù)效果的前提，但高過濾效率通常會(huì)導(dǎo)致呼吸阻力過高。

呼吸阻力是衡量佩戴口罩時(shí)呼吸通暢度的指標(biāo)，呼吸阻力越小則呼吸越通暢，呼吸阻力過大則易引起呼吸疲勞［11］。對(duì)于防護(hù)口罩，呼吸阻力不僅與過濾材料的透氣性能密切相關(guān)，同時(shí)受到有效過濾面積的影響，與口罩外形設(shè)計(jì)相關(guān)。為確保呼吸通暢，在防護(hù)口罩設(shè)計(jì)和制作時(shí)，亦需考慮佩戴口罩時(shí)的呼吸阻力。

因空氣中懸浮的微粒極其微小，且會(huì)隨空氣流動(dòng)，當(dāng)口罩與面部之間存在縫隙時(shí)，因縫隙處氣流阻力遠(yuǎn)低于過濾材料，氣流會(huì)優(yōu)先流向低氣流阻力的縫隙處，導(dǎo)致空氣中致病或有害顆粒物未經(jīng)過濾材料直接進(jìn)入口罩內(nèi)部，嚴(yán)重影響防護(hù)效果或?qū)е路雷o(hù)失效，因而密合性是確保防護(hù)口罩具有良好過濾性能的關(guān)鍵。故還需通過口罩外形設(shè)計(jì)，借助鼻梁條，使防護(hù)口罩與面部緊密貼合。

依據(jù)GB 2626—2019，所制備的防護(hù)口罩呼吸阻力與過濾效率測(cè)試值如下。

可以看出，預(yù)處理前后防護(hù)口罩的吸氣阻力均低于110 Pa，呼氣阻力均未超過85 Pa，且過濾效率超過99%，表明所制備的防護(hù)口罩其呼吸阻力和過濾效率均超過KN 95級(jí)防護(hù)口罩的技術(shù)要求（吸氣阻力≤210 Pa，呼氣阻力≤210 Pa，過濾效率≥95%）。

依據(jù)GB 2626—2019，所制備的防護(hù)口罩總泄漏率（Total Inward Leakage，TIL）測(cè)試結(jié)果見表1。表1中D1～D5表示5種按時(shí)間要求順序完成的規(guī)定動(dòng)作。D1為頭部靜止、不說話，2 min；D2為左右轉(zhuǎn)動(dòng)頭部看檢測(cè)倉的左右墻壁（大約15次），2 min；D3為抬頭或低頭看檢測(cè)倉的頂部和底部（大約15次），2 min；D4為大聲閱讀一段文字（如數(shù)數(shù)字）或大聲說話，2 min；D5為頭部靜止、不說話，2 min。10名受試者中1～5為佩戴口罩未處理樣，6～10為佩戴口罩預(yù)處理樣。

從表1中可以看出，以每個(gè)動(dòng)作的總泄漏率為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)時(shí)，10名受試者每人5個(gè)動(dòng)作共計(jì)50個(gè)動(dòng)作中TIL最大值為9.6%；以每人的總體TIL為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)時(shí)，10個(gè)受試者的TIL均未超過7.3%。結(jié)果表明所制備的防護(hù)口罩TIL超過GB 2626—2019對(duì)KN 95級(jí)防護(hù)口罩的要求（每個(gè)動(dòng)作的TIL小于11%，受試者的總體TIL小于8%），其與面部之間的氣密性較好，制備工藝與各層面料選用合理。

表1 總泄漏率檢測(cè)結(jié)果

2.3 可重復(fù)使用性能

按GB/T 8626—2017標(biāo)準(zhǔn)中4H程序洗滌50次后，防護(hù)口罩外形無明顯變化，表明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，故而僅對(duì)洗滌后樣品的過濾效率和呼吸阻力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下。

可以看出，歷經(jīng)50次洗滌后，防護(hù)口罩預(yù)處理前后的過濾效率依然超過92%，吸氣阻力均低于98 Pa，呼氣阻力均低于79 Pa。過濾效率與呼吸阻力性能指標(biāo)均優(yōu)于KN 90級(jí)防護(hù)口罩的技術(shù)要求（吸氣阻力≤170 Pa，呼氣阻力≤170 Pa，過濾效率≥90%）。

經(jīng)對(duì)比，洗滌后的防護(hù)口罩過濾效率下降約7%，吸氣阻力和呼氣阻力也均有下降，呼吸通透性提高。這主要是因?yàn)橄礈旌?，PI納米纖維膜表面存在磨損現(xiàn)象，由磨損部位材料變薄所致。

3 結(jié)語

本研究以PI納米纖維膜為過濾層，采用縫紉法制備可重復(fù)使用防護(hù)口罩，依據(jù)GB 2626—2019對(duì)其關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，所制備的防護(hù)口罩具有視野范圍大、死腔小、過濾效率高、呼吸阻力低以及總泄漏率低等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能均超過KN 95級(jí)防護(hù)口罩的技術(shù)要求。50次洗滌后，防護(hù)口罩過濾效率與呼吸阻力有所下降，但過濾效率與呼吸阻力性能指標(biāo)均優(yōu)于KN 90級(jí)防護(hù)口罩的技術(shù)要求，表明PI納米纖維膜耐洗滌，過濾效率與透氣性能穩(wěn)定，可作為重復(fù)使用防護(hù)口罩過濾材料使用。但研究中也發(fā)現(xiàn)，洗滌后防護(hù)口罩過濾效率有所降低，主要是由于PI納米纖維膜表面耐磨性能不足所致，因而在PI納米纖維膜表面改性與復(fù)合工藝方面還需做進(jìn)一步研究。