谈谈口罩滤材及口罩的选择

薛亚莉

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 213000）

空气污染对人类健康的威胁日益加重，口罩是抵御空气污染的主要武器之一。在不同使用环境中，需要选择不同过滤性能的口罩。通过分析各过滤材质及其相应的专利申请来显示各过滤材质所对应口罩的特点，进而对口罩的选用提出一些建议。

1 机械阻挡型

机械阻挡类口罩通过机械阻挡将较大的颗粒物隔离在外，对小颗粒物阻隔效果差，主要有纱布口罩和滤尘纸口罩两种类型。此类口罩可以防风沙，棉纱布口罩还可以防寒保暖，但几乎没有防尘、防菌效果，在流行病高发期和雾霾天，几乎起不到防护作用。滤尘纸口罩与纱布口罩相比，优势在于便于塑形。

1946年，英国申请GB 614668A公开了一种利用两层纱布形成的技术方案。2014年，我国申请CN 204292258U也公开了一种纱布口罩，可实现良好的遮挡效果。

2008年的韩国PCT申请WO 2010024527 A2公开了一种利用滤尘纸作为过滤介质的口罩，适用于某些弱污染工业生产环境。该申请将口罩本体材质设置为4个过滤面板来增加灰尘过滤面积，利用滤尘纸较强的塑形能力使口罩的密合性相较于纱布口罩有了很大的提高。

2 多孔吸附型

活性碳是20世纪70年代开发出的新型功能性吸附材料，它采用有机纤维为原料，经碳化、活化后制成，具有多孔结构、吸附能力强的特点。常规的活性碳滤料可用于防酸性及有机异味气体，但不能防尘及净化烟气，且呼吸阻力较大、佩戴舒适感差。

哈尔滨工业大学在2016年申请了一种利用中空叠加式活性碳纤维作为口罩滤芯材料的专利（CN 105361289B），通过对活性炭纤维进行预处理及绿色环保的活化技术，解决了直接使用活性碳纤维不能有效吸附空气中PM2.5及有害气体的问题。

3 纤维吸附过滤型

纤维过滤材料可以细分为熔喷无纺布、静电纺无纺布、熔喷纳米纤维和静电纺纳米纤维4种。

熔喷技术是依靠高速、高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而制备超细纤维的一种方法，它是目前工业上制备非织造材料最常用的方法之一，典型的熔喷纤维的直径为2 000～5 000 nm。

静电纺丝技术是使带电荷的高分子溶液或熔体在高压静电场的作用下得到纤维状物质的一种方法。静电纺纳米纤维很难单独收集，目前，静电纺纳米纤维主要以无纺布或膜的形式出现。典型的静电纺丝纤维直径为40～2 000 nm。

当前，熔喷技术应用比静电纺丝技术更广泛。用静电纺丝法制备的非织造材料具有更细的纤维、更好的过滤性能[1]。

3.1 无纺布

无纺布具有过滤效率较高、使用寿命长、价格低廉、呼吸阻力小等特点。无纺布口罩广泛用于医院、食品加工、矿山等需防尘、防菌的工作场所。

无纺布的密度越大，过滤效率越好。如美国H&V公司呼吸器选用的滤材中，N95面罩所使用熔喷非织造布过滤材料的克重包括30、40、50 g/m³等3种，N99使用了60、70 g/m³两种，N100则使用90 g/m³的滤料。该公司于2007年提出的PCT申请WO 2011011083A2公开了一种口罩滤料，其过滤层由熔喷纤维材料制成，过滤层设置为具有多个波峰P、波谷T的波浪形状，表面积显著增加，过滤效率提升。

3.2 纳米纤维

纳米纤维具有过滤性能高、空气阻力小、孔隙率高、佩戴舒适等优点，能很好地阻止化学毒气、气溶胶粒子透过，且可从液体或气体中除去小于100 nm的颗粒和微粒，因而在高端过滤和分离领域得到了广泛使用。但其强度低，一般需要熔喷、纺粘或针织材料作为支撑。将纳米纤维加入熔喷与纺粘织物之间制成的过滤材料，比传统的过滤器能更有效地排除超细微粒。

熔喷纳米纤维的单丝直径可控制在500～1 000 nm，熔喷法聚合物纳米纤维生产效率高，成本更具竞争优势。H&V公司立足熔喷法工艺，开发了新型熔喷纳米纤维产品“Nanoweb”，将该熔喷纳米纤维网用于呼吸器，其阻力可比常规熔喷产品降低30%～50%，从而改善呼吸器的气流运行状态，提高使用舒适度。

静电纺纳米纤维的单丝直径通常在100～500 nm，能够挡住0.5 μm的微粒，过滤效率非常高。

武汉纺织大学申请的专利CN 105582744A公开了一种蚕丝纳米纤维口罩，制成蚕丝纳米纤维浆料，用高压喷枪喷涂1 μm厚蚕丝纳米纤维到无纺布上，制得蚕丝纳米纤维与无纺布的复合膜，可以有效地过滤掉150 nm以上的颗粒。无纺布不仅为蚕丝纳米纤维提供了支撑，也避免了单独使用蚕丝纳米纤维强度低的缺点，制备的蚕丝纳米纤维可生物降解、环保。

江南大学申请CN 102920067A公开了一种纳米纤维防护口罩，在传统的双层非织造布制成的防护口罩中间加入了纳米纤维膜，制成“非织造布-纳米纤维膜-非织造布”形式的夹心材料。该夹心材料透气率较无夹心层时仅下降25 mm/s，而对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌的菌悬液的过滤效率由27%左右提高至80%以上。

4 纤维过滤+静电作用（驻极体）

驻极体是指具有极化电荷的固体电介质材料，依靠库伦力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获，或诱导微粒产生极性再将其捕获，从而更有效地过滤空气中的亚微粒子，这种带电效应还能起到抑制和杀灭病菌的作用[2]。

通过对驻极体的材料实施气相沉积等工艺，能够在较为缓和的生产条件下（例如较低的温度）实施成本较低的规模化生产。

驻极体相关产品：国际上有预防病毒功能的3M手术口罩中使用了驻极体过滤材料，松下、海尔等在空调中采用驻极体空气过滤器，对空气进行净化杀菌，此外还有无菌室滤布、抗菌防尘口罩和防SARS隔离服等。

北京随能科技有限公司申请的发明专利CN 106110762A公开了一种在基体骨架上设置带有电荷的驻极体材料，通过气相沉积、电晕放电处理制备所述材料。所述材料具有压降小、透气性好、轻薄和柔软等特性，适合作为颗粒物过滤材料（如N95，N97口罩）的生产材料。

5 过滤膜

以无纺布为基布复合一层过滤膜，能使滤材的过滤性能得到大幅提高，有效阻截空气中微小颗粒和病毒。聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）微孔膜是口罩中常用的过滤膜，具有孔隙率高、孔径分布均匀、透气不透水等特性，常用作杀菌滤膜、各种溶剂的超净过滤膜等[3]。

武汉龙飞翔科技产品制造有限公司申请的专利CN 203873053U公开了一种带有e-PTFE微孔膜的口罩，包括一层或多层e-PTFE微孔过滤膜层和无纺布支撑层，有效地阻隔了PM2.5颗粒的进入。PTFE材料具有不黏性，将进入口罩的物质截留在e-PTFE微孔过滤膜层表面以外而不黏附在薄膜表面，使口罩具有更长的使用寿命。

此外，多种过滤膜复合形成滤材成为技术热点，这种滤材在保证过滤性能的同时还可以兼采多种材料的优点。如嘉兴学院申请的发明专利CN 106108175A，其口罩同时含有生物质高聚物微/纳米纤维微孔膜层，Fe3+，N共掺杂二氧化钛微/纳米纤维微孔膜层、生物质高聚物微/纳米纤维微孔膜层。

表1对上述各种滤材的特点进行了简单总结，并介绍了市售各类型口罩的价格。

表1 各过滤材料口罩对比

6 结语

各种滤材的口罩都有其适用的环境，在使用时需根据使用的环境，并综合考虑过滤性能、呼吸阻力来挑选合适的口罩。就目前来说，逐步恶化的空气质量对口罩滤材的过滤性提出了更高的要求，具备高过滤性、良好杀菌性及低呼吸阻力的新型滤材也是滤材领域重点研究的方向。