聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩过滤材料的可行性研究

朱怀球 叶翔宇 刘芙蓉

摘 要：针对口罩生产关键材料熔喷非织造过滤材料（俗称“熔喷布”）供不应求的局面，探讨聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩过滤材料的可行性。测试了不同过滤材料制成的口罩样品，对比了过滤性能和压差指标，对聚四氟乙烯覆膜过滤材料用于口罩生产的可行性以及口罩的重复使用性能进行了测试评估。结果表明：聚四氟乙烯覆膜过滤材料可代替熔喷无纺布生产防护口罩，口罩重复使用3次，颗粒物过滤效果下降15%以内，是应急时期防护口罩过滤材料的可替代材料。

关键词：口罩;过滤材料;熔喷布;聚四氟乙烯;防护纺织品

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资源之一，国家卫健委发布的《新型冠状病毒感染不同风险人群防护指南》和《预防新型冠状病毒感染的肺炎口罩使用指南》，指出口罩是预防呼吸道传染病的重要防线，可以降低新型冠状病毒感染风险。口罩不仅可以阻挡病人喷射飞沫，降低飞沫量和喷射速度，还可以阻挡含病毒的飞沫核，防止佩戴者吸入。因此，口罩也成了老百姓最关注的产品之一。

口罩的过滤性能由其结构、组成和所带电荷共同决定。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）、氨纶（PU）、聚丙烯（PP）等[1]。其中，聚丙烯熔喷非织造织物价格低廉，物化性能稳定，孔隙率高，可做成驻极体，透气性能与过滤效率高，且环保无毒[2]，使用最为广泛。面对目前口罩需求井喷，以聚丙烯为主要原料的熔喷布供不应求。而聚四氟乙烯纤维非织造布具有很高的过滤效率和较低的过滤阻力[3]，本研究基于此对聚四氟乙烯覆膜材料替代“熔喷布”进行可行性分析。

1 口罩过滤材料

口罩过滤机理非常复杂，根据其截留途径及相互作用方式，可分为以下几种：重力沉降、拦截、惯性碰撞、扩散、静电吸附等作用;对亚微米颗粒物，主要靠扩散和静电作用[4-7]。目前市面上有望用于口罩生产的过滤材料主要包括驻极聚丙烯熔喷非织造布、针刺静电棉、覆膜过滤材料等三类。

1.1 驻极聚丙烯熔喷非织造布

以高熔指聚丙烯为主要原料，采用熔喷成网方法，并经驻极处理如电晕放电工艺等生产制造的非织造布，主要通过静电吸附作用过滤颗粒物。熔喷布材料存在的问题是，随着放置时间的延长，特别是在高湿度/高温环境中或者经过标准规定的预处理步骤之后，会发生静电衰减，导致过滤效率下降。有质量不稳定的熔喷布，静电维持时间不超过1个月，过滤效率从初始的90%以上下降到不到40%，导致口罩不合格。该材料作为综合性价比最高的材料，一直应用于口罩生产。但浙江省内熔喷布供需紧张，价格从2019年底不到3万元/t迅速上涨到了2020年3月初的30万元/t以上。

1.2 针刺静电棉

以两种及以上不同摩擦带电性能的短纤为主要原料，采用针刺成网方法生产制造的非织造布，主要通過静电吸附作用过滤颗粒物。该材料多用于空气净化的粗滤过程，过滤效率较好、压差低，容尘量高。针刺静电棉材料在生产过程中与做成口罩成品后，存有短纤脱落或钻出的风险。本研究不对该材料进行论证。

1.3 超高效空气净化聚四氟乙烯覆膜过滤材料

超高效空气净化聚四氟乙烯覆膜材料具有过滤效率高、阻力大的特点，通过原料改性、工艺调整等，可加工不同孔径、不同微孔形状、不同孔隙率的薄膜。薄膜材料形貌在微米级尺度上，细纤维（大量，纤维直径几十个纳米）和粗纤维（少量，纤维直径微米级）混杂（熔喷布纤维直径多在1～8 μm），厚度控制在几十微米以内，这样可使其过滤效率从99%降低到90%，同时压差可与驻极聚丙烯熔喷非织造布相当。聚四氟乙烯双向拉伸微孔薄膜以PTFE树脂为原料，经混料、挤压、挤出、压延、双向拉伸等特殊工艺制成;该膜的强度很低，需要复合到各种支撑材料上，目前基材使用较多的是聚丙烯纺黏无纺布、聚丙烯/聚乙烯热风无纺布。PTFE复合技术要求很高，一般分为高温热压复合和胶复合两种。覆膜材料过滤性能主要由聚四氟乙烯双向拉伸膜的性能决定。

典型的聚四氟乙烯双向拉伸薄膜微孔结构如图1所示[8]，聚四氟乙烯覆膜材料是表层过滤行为，过滤机理是机械筛分过滤，相较驻极聚丙烯熔喷非织造布材料的深层过滤行为，使用过程中需注意呼吸阻力上升情况。聚四氟乙烯覆膜材料的颗粒物过滤，不存在静电吸附行为而且聚四氟乙烯材质稳定，在储存过程中或经过标准规定的预处理步骤之后，覆膜材料过滤效率不会衰减。在工业除尘领域，由于聚四氟乙烯材料具有极低的表面张力，润滑性高，同时颗粒物沉积在滤料表面形成滤饼，易于清洗操作，多通过高压脉冲反吹过程使滤料再生，使用寿命一般可在3年以上。此外聚四氟乙烯材料和聚丙烯材料均可耐受100 ℃以上高温。

目前桐乡市健民过滤材料有限公司、湖州禾海材料科技有限公司和湖州森诺氟材料科技有限公司等3家企业的送检样品均已评估通过，具体过滤性能指标如表1。

本研究对聚四氟乙烯覆膜过滤材料的安全性、聚四氟乙烯覆膜口罩的性能以及经高温热水浸泡后重复使用性能进行了测试。

2 实 验

2.1 原材料

桐乡市健民过滤材料有限公司提供的平方米质量为30 g/m2和50 g/m2的2种覆膜材料，可类似熔喷非织造布进行分切成卷。基材为热风非织造布，通过高温热压复合。实物图如图2所示。

2.2 口罩打样

由桐乡市健民过滤材料有限公司委托桐乡市崇福利民卫生用品厂打样。选用常用的平方米质量为25 g/m2的纺黏无纺布作为上下层，中间层的过滤材料采用上述平方米质量为30 g/m2和50 g/m2的2种覆膜材料，采用平面口罩机和耳带焊接机，制成口罩尺寸为9.5 cm×17.5 cm的耳带式平面口罩，用于试验一（口罩性能的验证）。

2.3 万事利集团缝纫机打样

按照《浙江省日常用防护口罩生产工艺指导书（暂行）》规定的工艺生产，选用常用的平方米质量为25 g/m2的纺黏无纺布作为上下层，中间层的过滤材料采用上述两种覆膜材料。制作成平面型一次性民用防护口罩，用于试验一（口罩性能的验证）和试验二（口罩重复使用性能验证）。

2.4 模拟家庭情况清洗消毒

将口罩样品放在合适的容器中，然后倒入刚刚烧开的开水，浸泡30 min后取出自然悬挂晾干;更换热水，模拟多次清洗消毒过程。

2.5 测试方法

依据《浙江省紧急防护民用口罩生产指南（暂行）》、GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》和GB 31701—2015《婴幼儿及儿童纺织产品安全技术规范》标准进行，以每批次最低过滤效率和防护效果数值为实测值。

3 结果与分析

3.1 材料安全性

企业提供了原材料和覆膜材料符合欧盟Rohs指令的检测报告。依据纺织产品强制性国家标准GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》和GB 31701—2015《婴幼儿及儿童纺织产品安全技术规范》要求，测试了甲醛含量、pH值、禁用偶氮染料和邻苯二甲酸酯等项目，发现甲醛、禁用偶氮染料和邻苯二甲酸酯等未检出，pH值为6.4，符合纺织品婴幼儿级别安全技术要求。

3.2 口罩性能

熔喷非织造滤材作为防护口罩的核心过滤层，具有纤维细度较细、比表面积大、孔隙率高等特点。熔喷非织造滤材经驻极处理后，会产生静电效应，对颗粒物进行拦截，实现较高的过滤效率。根据现行防护口罩的标准要求，口罩的顆粒物过滤效率至少在90%以上。

2批次手工缝制口罩，经测试均符合标准要求，具体数值见表2。

自动化口罩机生产的口罩，同样符合防护口罩的过滤效率要求（过滤效率90.6%）。聚四氟乙烯覆膜过滤材料可满足口罩用缝纫机和全自动口罩机生产的要求，和采用熔喷布过滤材料生产的口罩相比，聚四氟乙烯覆膜过滤材料没有特殊工艺要求。

3.3 口罩重复使用性能

试验发现，开水倒入后能马上浸透口罩样品，样品取出后外观无明显变化。样品吸附较多水分（基材吸附），可用手挤出。自然悬挂过夜后，样品晾干，干燥后外观无明显变化。

从测试结果来看，其可以保持较好的过滤性能。推测过滤效率稍有下降的原因是，水分干燥过程中，聚四氟乙烯薄膜孔结构发生了轻微变化（用手挤压水分，因水分挥发的表面张力，与基材、黏结材料不同的收缩等）。

开水浸泡次数对过滤效率结果影响不明显，说明可以多次重复使用。

作为疫情期间熔喷布供应不足的特殊时期，聚四氟乙烯覆膜材料是一种很好的替代材料，能够实现过滤病毒的防护效果。基于该研究成果，2020年3月2日，浙江省疫情防控医疗物资〔2020〕52号《关于印发《浙江省日常用防护口罩过滤材料指南（暂行》的通知》，将聚四氟乙烯覆膜过滤材料纳入指南。聚四氟乙烯覆膜过滤材料符合国家纺织产品安全技术规范要求，技术指标设置为过滤效率90%，压差150 Pa，可供应急时期民用防护口罩使用。2020年3月3日，浙江省经信厅主持召开首场新型可循环使用的防疫口罩材料推荐发布会，介绍了浙江朝晖过滤技术股份有限公司研发的防疫口罩材料——纳米级覆膜材料，可优化替代口罩生产关键材料“熔喷布”，缓解当前口罩生产材料短缺的困境。通过简单高温热水消毒后，该材料可以反复使用。其高效、易清洁的性能，优于同等级别的熔喷布。

4 结 语

聚四氟乙烯覆膜材料可以作为防护口罩滤材使用，其具有过滤效率高且基本不会发生衰减、可洗涤后重复使用等优势，采用该材料制备的口罩可以保障过滤效率底限，但存有因盐性颗粒物沉积导致过滤阻力迅速增加的风险[9]，不宜给有呼吸系统疾病的消费者、老年人、儿童以及孕妇使用。建议口罩企业采用聚四氟乙烯覆膜材料和驻极聚丙烯熔喷非织造布组合的过滤材料结构，来实现高过滤效率、低初始阻力和缓慢的阻力上升速率，特别是考虑到医院特殊的使用环境（高酒精浓度、消毒剂浓度）和医护人员呼吸暖湿潮气会加速驻极熔喷布材料的静电衰减，两者组合的过滤材料结构非常适合用作GB19083—2010医用防护口罩生产。

参考文献：

[1] 陈凤翔，翟丽莎，刘可帅，等.防护口罩研究进展及其发展趋势[J].西安工程大学学报，2020，34（2）：1-12.

[2] 卢楠.熔喷法非织造布的应用与发展趋势[J].江苏纺织，2013（6）：49-51.

[3] 钱幺，赵宝宝，邓辉，等.摩擦驻极对聚四氟乙烯纤维非织造布过滤性能的影响[J].纺织学报，2017，38（11）：22-26.

[4] 叶芳.口罩分类及原理介绍[J].标准生活，2016（2）：18-23.

[5] 贺志鹏，伏广伟，谭志强，等.防雾霾功能纺织品及其制品研究概述[J].染整技术，2018，40（7）：1-3.

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[10] 潘宇枫.关于新型口罩过滤性能的测试分析[J].科技风，2018（30）：13.