功能化自吸式口罩研究現(xiàn)狀

歐思敏，李嬌嬌，劉志遠，張 瑜，程 杰，崔景強

（1.河南省醫(yī)用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南 長垣 453400;2.河南駝人醫(yī)療器械集團有限公司，河南 長垣 453400）

0 引言

自吸式口罩的應用范圍極廣，例如民用普通防塵口罩、軍用防毒口罩和醫(yī)用防護口罩等。2019 年以來的新冠肺炎疫情的爆發(fā)，使口罩迅速受到大眾的關注，醫(yī)用口罩成為了生活必需用品。由于對口罩的使用量不斷增加，人們對自吸式口罩的研究也逐漸深入，而功能化自吸式口罩也得到了越來越多的關注，包括普通口罩、醫(yī)用口罩、變溫口罩、抗菌抗病毒口罩、自發(fā)電口罩、可降解口罩和耐輻照口罩等。

1 自吸式口罩

口罩是一種用于過濾進入口鼻的空氣的衛(wèi)生用品。自吸式口罩作為呼吸防護用品，能有效地防止有毒有害物質被吸入人體，從而減輕所處環(huán)境對人體造成的傷害，因此在日常生活中被廣泛使用。

自吸式口罩包括口罩主體與濾材兩部分，口罩主體起固定、支撐、保護等作用；濾材則可以濾除所處環(huán)境中的粉塵、有毒氣體、細菌和病毒等，不同的材料和工藝制成的口罩對物質的濾除作用有所差異。目前的口罩主要是基于靜電吸附或納米篩濾而達到其過濾作用。

2 功能化自吸式口罩現(xiàn)狀

為了防疫，口罩迅速受到大眾的關注，醫(yī)用口罩成為了防疫階段的生活必需用品。由于對口罩的使用不斷增加，人們對自吸式口罩的研究也逐漸深入。

2.1 自吸過濾式防塵口罩

目前的防塵口罩主要有自吸式和送風式口罩兩種，自吸過濾式防塵口罩是口罩里較為基礎的一款，其結構相對簡單，主要功能是過濾空氣中的粉塵等大顆粒物質。

近年來在我國一些地方霧霾情況時有發(fā)生，PM2.5 作為霧霾的主要成分，可通過呼吸深入到人體肺部，刺激和腐蝕肺泡壁，損害呼吸系統(tǒng)功能[1]。此外，長期暴露在粉塵環(huán)境條件下工作的人群，患呼吸系統(tǒng)疾病的概率也比較大。而有效地使用口罩能預防粉塵等對呼吸系統(tǒng)的損害，降低一些疾病的發(fā)病率，例如一些粉塵對人體呼吸系統(tǒng)造成傷害而導致的塵肺病。

防塵口罩的使用范圍極廣，除基礎的自吸過濾式防塵口罩外，關崇山等人[2]還將口罩支撐部分的制造與3D 打印技術結合，通過對用戶的面部信息進行數據處理，最后采用3D 打印快速成型的方法制造密封圈，為用戶定制更為貼合自己面部的防塵口罩，在提高佩戴舒適性的同時，保證了氣密性，使過濾效果達到最佳。

2.2 醫(yī)用口罩

口罩按用途可分為醫(yī)用口罩和非醫(yī)用口罩兩大類，目前我國醫(yī)用口罩共有3 種，分別是醫(yī)用防護口罩、醫(yī)用外科口罩和一次性使用醫(yī)用口罩。作為第二類醫(yī)療器械，醫(yī)用口罩能隔絕粉塵、細菌、病毒和噴濺的血液等，是醫(yī)療領域不可或缺的醫(yī)療器械之一。現(xiàn)在可大量生產的醫(yī)用口罩除鼻梁條和耳帶之外，主體部分一般為SMS 結構，共有3 層：從外層到內層分別為無紡布層、熔噴布層和無紡布層。其中外層無紡布層起支撐口罩和防噴濺的作用，能有效防止手術或其他操作過程中血液等液體的噴濺，保證其防護效果；中間層熔噴布層起過濾細菌等作用；內層無紡布層起吸收呼出水汽作用。3 層結構組合保證了醫(yī)用口罩的防護效果。

由于粉塵、細菌、病毒的大小與性質都有所差異，不同環(huán)境下的醫(yī)用口罩要求也不同，口罩的中間過濾層的性能要求也不同，與之對應的是3 種標準分別為：GB19083-2010 《醫(yī)用防護口罩技術要求》；YY 0469-2011《醫(yī)用外科口罩》；YY/T 0969-2013《一次性使用醫(yī)用口罩》?？谡譃V材需要兼顧過濾效率與通氣阻力等性能，且不同的醫(yī)用口罩的性能要求也不同，其中醫(yī)用防護口罩的過濾效率要求最高。

目前應用較多的醫(yī)用口罩過濾方式主要是中間層的熔噴布通過靜電吸附，使懸浮的顆粒附著，從而起到過濾作用。這種過濾方式的好處是在達到較高的過濾效率的同時，具有較小的通氣阻力，缺點是口罩的過濾效果會隨靜電的減少而降低?，F(xiàn)有的中間層熔噴布大多是將材料熔噴成布后再進行駐極處理，從而使該熔噴布帶靜電。目前量產的駐極材料大多為聚丙烯（PP），另外還有尼龍-11、PET 等材料[3]，駐極方式常用的主要是靜電駐極和水駐極。醫(yī)用口罩的內外層無紡布多是用紡粘無紡布。目前對醫(yī)用口罩的研究主要在改變其熔噴布和無紡布的原料和工藝上，我國的相關技術正處于快速發(fā)展階段[4]。此外，霍倩等[3]分析了國內外現(xiàn)在駐極材料研究進展，研發(fā)出靜電紡絲法制備口罩中間層的過濾材料，其過濾效果較好。

2.3 變溫口罩

2.3.1 加熱口罩

加熱口罩可以通過加熱結構使口罩擁有一定溫度。在北方地區(qū)冬季氣溫較低，佩戴口罩時呼出的氣體溫度降至冰點，容易在口罩上結成霜，加熱口罩的出現(xiàn)可以有效改善此類情況。

目前加熱口罩的加熱方式有自加熱與電加熱兩種，自加熱口罩無需外部電源接入，電加熱則需外部電源供電。張文[5]通過在口罩中放置加熱芯使口罩擁有自加熱功能；李壯等[6]在通過兩層口罩層集成加熱結構，在供電情況下可以對口罩進行加熱，并且配合醫(yī)用口罩使用時能對醫(yī)用口罩進行加熱，同時使醫(yī)用口罩過濾層的靜電荷得以保持，從而提高病毒吸附力，延長醫(yī)用口罩的使用壽命。

2.3.2 清涼口罩

清涼口罩可以通過熱傳導將溫度由高溫傳至低溫處等方法，使人在佩戴口罩時擁有涼感，提高了口罩佩戴者的舒適度。清涼口罩可以改善因長時間佩戴普通口罩而產生的悶熱潮濕等情況。胡海霞等[7]對口罩內側的無紡布進行涼感整理，利用涼感整理劑實現(xiàn)清涼口罩的制作，確定了涼感整理的最佳工藝方案。

2.4 抗菌抗病毒口罩

口罩可以過濾粉塵、細菌和病毒等，但目前大部分口罩都只是起過濾作用，并不能滅活病毒和細菌，若廢棄的口罩未規(guī)范處理，很容易導致廢棄口罩上存活的細菌或病毒造成二次污染。而抗菌抗病毒口罩的研究和推廣可以有效解決這類問題。

由于新型冠狀病毒有高傳染性和高隱蔽性，在疫情爆發(fā)的背景下，廢棄口罩上存活的病毒很容易再次擴散而造成感染。抗菌抗病毒口罩能滅活細菌和病毒，阻止病毒的傳播，從而減少再次感染的風險?？咕共《究谡挚梢灾苯佑每咕共《镜脑现瞥桑部梢岳弥?、涂層、微球等技術在口罩的基布上添加抗菌劑來實現(xiàn)。

賈芳等[8]研究發(fā)現(xiàn)，用殼聚糖溶液對口罩整理后能明顯提高口罩的抗菌性能；王亞等[9]采用乳化交聯(lián)法，制備抗菌微膠囊，之后再利用其對口罩所用的無紡布進行處理，也提高了醫(yī)用口罩的抗菌性能；M Martí 等[10]研究出一種抗菌無紡布用于口罩，該無紡布利用了苯扎氯銨（季銨鹽的一種）良好的抗病毒特性，使病毒和細菌在接觸到口罩時被滅活，從而達到抗菌作用。

2.5 自發(fā)電口罩

現(xiàn)醫(yī)用口罩的過濾主要依靠中間層熔噴布的靜電吸附作用達到顆粒物過濾和細菌過濾效果，但其靜電作用在口罩開始使用后會逐漸減弱，所以目前口罩的使用時間非常有限，這大大降低了口罩的利用率。自發(fā)電口罩可以在口罩的使用過程中利用自身性能和周圍環(huán)境維持中間過濾層的靜電荷，從而保持其過濾效率、實現(xiàn)長時間的高效防護。目前自發(fā)電口罩可以利用摩擦納米發(fā)電機實現(xiàn)自發(fā)電功能，改善了普通醫(yī)用口罩在佩戴時中間層的靜電荷耗散較快的問題，無需定時更換口罩，也能保持其過濾效果，明顯延長了口罩的使用壽命，可以解決短時間內口罩短缺的問題。

Nannan Wang 等[11]通過靜電紡絲的方法制備了一種基于聚乙烯醇（PVA）的醫(yī)用口罩，在高濕度環(huán)境下可以自行充電，并且具備優(yōu)異的電荷保持性能。其基本原理是利用PVA 是電正性的摩擦聚合物和PP 是電負性的，所以口罩外層的PP 可以與中間層的PVA 組成摩擦納米發(fā)電機，當PP 與PVA 接觸并分離時，PVA層就可以帶正電，從而實現(xiàn)了自充電。而且PVA 的中間吸附層可以和人體呼出的水蒸氣分子以氫鍵的形式結合，作為該發(fā)電機的正極材料，這有利于口罩在人體佩戴一定時間后的高濕度下仍然保持其過濾效率。此外，它還具有強大電荷存儲能力，在高濕度環(huán)境下表現(xiàn)出遠低于PP 的靜電耗散率。以手拍充電的方式相對簡單，便于操作。

2.6 可降解口罩

可降解口罩在一定條件下可以完全分解，能減輕大量廢棄口罩造成的環(huán)境污染。目前一次性口罩使用最多的材料為聚丙烯材料，聚丙烯材料有很好的耐腐蝕性能。隨著一次性口罩使用量和丟棄量的增加，對環(huán)境造成了嚴重的破壞，可降解口罩作為環(huán)境友好型防護用品得到了人們極大的關注?？山到饪谡值难芯颗c推廣可以有效減少廢棄口罩對環(huán)境造成的影響，從生產口罩的原材料上入手，從根本上解決了口罩廢棄后的環(huán)境污染問題。

可降解口罩分為部分可降解口罩與完全可降解口罩，就目前的研究技術而言，可降解口罩在自然環(huán)境的條件下，沒有明確的降解周期，但可以通過堆肥或酶降解等方法評價其降解性能[12]。

以可降解材料為原料可以制成非織造布，用作口罩的內外層無紡布及中間層熔噴布?，F(xiàn)已有聚乳酸制成的紡粘無紡布及熔噴布。此外，Broto Widya Hartanto等[13]利用AHP 研究分析了可做口罩的不同材料的性能，最后發(fā)現(xiàn)Quilt 和棉（600TPI）是最合適的，用其制成的口罩能兼顧過濾效率與透氣性，同時可降解，對環(huán)境的影響最小。S Choi 等[14]研究出一種可在土壤中完全分解的生物降解的高性能纖維過濾層材料，可用于制作成可降解口罩。其原料殼聚糖與纖維均可降解，利用殼聚糖納米晶須的永久性靜電吸附作用和納米纖維的物理過濾作用能達到過濾的效果，S Choi 等人的研究表明，這種過濾材料在堆肥土壤中可以在4周內完全分解。

2.7 耐輻照口罩

傳統(tǒng)口罩的滅菌方式為環(huán)氧乙烷滅菌，由于環(huán)氧乙烷是一種有毒氣體，在滅菌后一般需解析14 天。耐輻照口罩的研究可以改進口罩的傳統(tǒng)滅菌方式，通過輻照面滅菌的方式替代傳統(tǒng)的環(huán)氧乙烷滅菌，不僅能減少環(huán)氧乙烷對人體造成的傷害，而且能縮短生產周期，有利于應對疫情爆發(fā)等情況而導致的口罩短缺等問題。

尹玉吉等[15]研究出一種耐輻照熔噴級聚丙烯復合材料及其制備方法，以其為原料制備出的口罩可以采用輻照滅菌的方式進行滅菌，聚丙烯在高能射線下會產生自由基，進一步反應會引起聚丙烯分子鏈結構的變化，從而導致以聚丙烯為原料的材料性能的下降，因此，對聚丙烯進行改性可以在輻照滅菌后仍然保持其強度。此外，在實現(xiàn)耐輻照的同時，還具有優(yōu)異且合適的流動性，適用于采用輻照滅菌的聚丙烯熔噴級無紡布。

3 結語

在霧霾和新冠疫情的情況下，隨著健康與安全意識的增強，人們對口罩的各方面性能要求也隨之提高，包括口罩的過濾效率、舒適度、二次污染和審視口罩對環(huán)境造成的破壞等。各種功能化自吸式口罩的出現(xiàn)，賦予口罩不同的功能，滿足人們不同條件下的需求。因此，各類功能化自吸式口罩的出現(xiàn)是必然結果，并且符合高效、實用和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展趨勢。未來的自吸式口罩也會向更多元的方向發(fā)展，口罩的功能也會隨人們的需求與科技的發(fā)展不斷更新與完善。