一次性医用防护非织造材料研究进展及展望

叶晓睿 马 勇 赵 建 田明伟

1． 青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071；

2． 青岛佰纺寝装用品有限公司，山东 青岛266071；

3． 青岛起初智能有限公司，山东 青岛 266071

SARS病毒、禽流感病毒及新型冠状病毒(COVID-19)等的出现与传播极大地威胁着人类的生命和健康，这使得一线防疫工作人员对医用防护口罩和医用防护服等医用防护类产品的需求急剧增加。医用防护非织造材料作为医用防护类产品(如医用防护口罩、医用防护服、手术衣、手术洞巾等)的基础材料，其因加工工艺流程短、生产速度快、产量高、成本低、用途广、原料多等特点，在医用防护领域具有很大的应用潜力，在医疗器械等方面也有大规模的应用。

阻隔防渗性是医用防护类产品性能的基础与关键，良好的舒适性、抗菌杀菌性及物理力学性能等也是提高医用防护类产品穿着舒适性、减轻医护人员身心疲劳感的重要保障。目前，有关医用防护非织造材料的穿着舒适性、物理力学性能及吸湿透气性等的研究还不够深入，高性能及功能多样化、差别化仍将是医用防护非织造材料的发展方向[1]。

本文将从纤维新材料、非织造材料类型及应用三方面综合介绍医用防护非织造材料的进展，以期为高性能及功能多样化、差别化的医用防护非织造材料的研发提供建议和参考。

1 纤维新材料

科技的进步带动了医用防护非织造材料的发展，一系列新颖且性能优于传统纤维的新型纤维被研发出来。部分新型纤维在功能方面得到了改善，部分在纤维形态、性能或其他方面与传统纤维存在不同。本节将根据医用防护非织造材料的性能要求，结合纤维新材料的特点，介绍几种有代表性的如壳聚糖纤维、竹炭纤维、聚乳酸纤维等新型纤维在医用防护非织造材料中的应用。

1.1 壳聚糖纤维

甲壳素是以虾皮、蟹壳等天然高聚物为原料加工制成的，其原料来源广泛，价格低廉[2]。甲壳素纤维主要采用湿法纺丝法制备[3]。但甲壳素的溶解性较差，处理较困难，故制备纺丝液时会先对甲壳素脱乙酰化，这样得到的壳聚糖的溶解性会大为改善，可溶于弱酸性溶液中，制备出壳聚糖纺丝液。

良好的吸湿导湿性使得壳聚糖纤维较适用于手术服的内层，其可为医护人员提供良好的舒适性。另外，壳聚糖纤维具有广谱抑菌特性，对大肠埃希菌、白色念珠菌、金黄色葡萄球菌等都具有很好的抑制作用。徐小萍等[4]将壳聚糖纤维与黏胶纤维混合，制作出水刺非织造材料，并发现：随着壳聚糖纤维质量分数的增加，水刺非织造材料变得较柔软，且透气性变好，但由于壳聚糖纤维卷曲数少，所得水刺非织造材料力学性能较低；当壳聚糖纤维质量分数为50%时，水刺非织造材料的抗菌率高达98.1%，抗菌性能优异。合肥巧织纺织科技有限公司[5]公开了一种利用壳聚糖纤维制备抗菌除螨非织造材料口罩的方法，所得口罩抗菌率达96.4%、除螨率达98.2%。

1.2 竹炭纤维

竹炭纤维取毛竹为原料，先将毛竹高温炭化处理制成竹炭，再利用纳米技术将竹炭微粉化，最后经特殊工艺加入到黏胶、聚酯或竹浆粕纺丝液中，经熔融或湿法纺丝得到竹炭纤维[6]。竹炭纤维作为一种新型功能性纤维，具备竹炭优异的吸附性能。刘滨璐等[7]研究了竹炭黏胶纤维的抗菌性，发现在竹炭黏胶纤维与脱脂棉的混合试样中，当竹炭黏胶纤维质量分数为40%时，混合试样对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到了91.5%、81.5%，抗菌性能优异。此外，竹炭纤维因蜂窝状的结构还具有良好的吸湿和自调湿性，穿着十分舒适[8]；其释放的负离子浓度高达6 000个/cm3，能缓解疲劳[9]。江阴恒和无纺布制品有限公司[10]发明了一种以竹炭纤维层作为外层的医用手术洞巾，其抗菌率高达94.5%，可有效阻止体液和血液中细菌和病毒的传播，降低医护人员交叉感染的风险。

1.3 聚乳酸纤维

聚乳酸纤维是将玉米、小麦、土豆等淀粉原料发酵得到乳酸后，经直接聚合或丙交酯开环聚合或其他方式聚合后，再通过干法、纺黏法或熔喷法制得的一种合成纤维[11-13]。相较于涤纶，聚乳酸纤维吸湿性较强，导湿性良好，强度略低(为6.23 cN/dtex)[14]。此外，可降解性是聚乳酸纤维的突出特性，其能在高温(>60 ℃)、高湿(相对湿度>80%)及碱性(pH>8.0)的非酶水解条件下，先将自身相对分子质量降低到10 000～20 000，然后经由微生物快速降解为CO2和H2O[15]。陈宽义等[16]制备了一种聚乳酸水刺非织造材料，其产品亲肤舒适，应用前景喜人。河南亚都实业有限公司[17]利用聚乳酸纤维和纳米银等制备了一种全降解医疗卫生用非织造布，该产品12周的降解测试数据显示降解效果良好。

2 非织造材料类型

非织造材料能过滤尘埃等细小微粒，且阻隔细菌、病毒等效果显著，用其制成的医用防护类产品可降低医院发生传染的概率[18]，故在医用领域应用潜力极大。

2.1 纺黏非织造材料

纺黏非织造材料强力良好，但纤维较粗，故阻隔性较差。随着研究的推进，双组分纺丝法在一定程度上弥补了这方面的不足。双组分纤维的结构主要有橘瓣型和海岛型两种，其开纤方式包括机械、化学、湿热等。其中，橘瓣型双组分纤维主要采用水刺方式开纤，其工艺流程短，生产速度快，无污染，抗撕裂性好[19]，但是为了将内部的纤维打散，所需的水针压力较大，故对生产设备的要求较高。卢志敏等[20]对橘瓣型双组分纺黏水刺非织造材料采用碱法开纤，发现最佳开纤效果的工艺参数为温度80 ℃、NaOH质量分数3.0%、时间15 min。随着开纤率的增加，非织造材料的透气性下降。碱法开纤对纤维损伤较大，故工艺参数的设定是关键。钱幺等[21]采用针刺工艺对橘瓣型双组分纺黏水刺布进行了再次开纤，结果显示，针刺开纤后材料的面密度减小，结构变蓬松，过滤效率提高。

此外，通过在纺黏工艺中加入各种功能性母粒，如抗菌母粒、抗静电母粒等，可赋予纺黏非织造材料多种性能。

2.2 SMS非织造材料

SMS非织造材料结合了纺黏非织造材料和熔喷非织造材料的特点，具有很好的过滤、阻隔性，且强力较好，已在医用防护领域广泛应用。当前，SMS非织造材料生产线多样化，制备工艺相对成熟，且多通过后整理的方法赋予SMS非织造材料多种性能。

曲方圆等[22]在发泡温度为25 ℃、焙烘时间为3 min、焙烘温度为130 ℃的条件下，采用质量分数分别为0.5%、0.2%、0.3%的十二烷基硫酸钠、羧乙基纤维素钠、羧甲基纤维素钠，对SMS非织造材料进行“三防(防水、防酒精、防血液)”整理，发现整理后的材料接触角达132.9°，抗酒精达8级， “三防”性能良好，还兼具较好的舒适性。谢柠蔚等[23]在pH值为6.5、浸渍时间为60 min、浸渍温度为60 ℃的条件下，利用纳米银溶液对聚丙烯SMS非织造材料进行抗菌整理，发现整理后的材料抑菌率高达99.9%，抗菌性优异。陈影等[24]利用特殊杂环类抗菌整理剂对SMS非织造材料进行浸渍整理，发现：当整理剂浓度为30 g/L、整理温度为43 ℃、浸渍时间为20 min、烘燥温度为100 ℃和烘燥时间为180 s时，所得SMS非织造材料对大肠埃希菌的抑菌环宽度达12.70 mm，具有良好抑菌性。

当前，医用防护用SMS非织造材料正逐步向多元功能化、高性能化的方向发展，且多采用后整理法，也有少量文献提及在聚合物切片中加入功能性母粒。另外，银类抗菌剂虽抗菌效果极佳，但安全性有待商榷。

2.3 闪蒸非织造材料

闪蒸法属新型纺丝工艺，其以结构规整的聚合物如聚丙烯等为原料、以有机溶剂为溶剂，两者混合后经高温高压溶解成纺丝原液，再由喷丝孔喷出，固化拉伸同时溶剂挥发，制得超细纤维，且所得纤维的细度与强力均优于熔喷纺丝工艺所得纤维。闪蒸非织造材料兼具阻隔、透气等性能，且力学性能良好，在医用防护领域应用潜力巨大。Xia等[25]以超高相对分子质量聚乙烯为原料，制得了直径在0.15～1.22 mm和0.2～5.0 μm的细丝和微纤维，且强度高于8.00 cN/dtex，纺丝速度和聚合物消耗量分别高达47.2 m/s和116.7 g/min，这相比于静电纺丝等工艺，生产效率大幅提高。但是闪蒸法目前技术尚不完善，仍存在难点，且成本较高，还有待做进一步的研究。

3 应用

3.1 医用口罩

医用口罩包括普通医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩等，它们多采用纺黏熔喷复合非织造材料生产。表1将GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》中有关医用口罩过滤性和气流阻力的指标要求进行了罗列[26]。满足表1要求的医用口罩普遍存在透气性差、闷热等问题。胡海霞等[27]对多种医用非织造材料口罩内侧进行了凉爽整理，发现当凉感整理剂浓度为28 g/L、浸渍时间为35 min和烘干温度为65 ℃时，接触凉感较整理前提高了3.38倍，气流阻力为294.8 Pa，满足标准要求。目前，医用口罩大多只对细菌有过滤功效，且不存在杀菌效果，故仍极有可能造成交叉感染，因此抗菌性、抑菌性、杀菌性已成为医用口罩的关键性能。余沛阳[28]通过引入铒元素赋予了医用口罩高效杀菌性，抑菌率高达98.0%～99.5%，抑菌效果优秀。但铒元素属重稀土元素，长期摄入会危害人体健康，故用于医用口罩的安全性有待探讨。

表1 GB 19083—2010中过滤性和气流阻力的指标要求

近期研究进展显示，医用防护口罩用非织造材料的功能化多采用后整理法。另外，对于贴肤使用的和用即弃的一次性医用口罩，其安全性和可降解性也需高度重视。

3.2 手术服

手术服是一种重要的医用纺织品，其在无菌、无尘的基础上还要满足隔菌、抗菌、抑菌及舒适性等要求，多采用SMS非织造材料生产。此外，阻隔防渗性是手术服的关键性能。对手术服进行疏水性整理，可有效提高手术服的阻隔防渗性。例如，Moradi等[29]利用聚丙烯纺黏、聚丙烯熔喷、聚酯/黏胶纺黏等三种非织造材料，研制出三层手术服衣料，并利用疏水性聚甲基硅氧烷溶液处理，所得手术服拒血液性良好，且透气性及力学性能好。

东华大学[30]利用亲水性黏胶纤维和壳聚糖纤维制备了一种具有良好单向导水功能的水刺非织造布，可用于医用防护服。其结构为两层，均由水刺加固。张哲烽等[31]受荷叶自清洁效应启发，对聚丙烯非织造布进行了改性，发现改性后的手术服接触角为138.0°，油滴可保持60 s不浸润，当倾斜角度为20.6°时血液可快速滚落，疏水疏油性、拒血液性优良，降低了交叉感染的可能性。

医疗工作人员所处的工作环境要求手术服应尽可能同时兼具阻隔防渗性、抗菌杀菌性、力学性能、舒适性和环保性等，因此，功能多样化、高性能化是手术服的发展趋势。

4 总结

医用防护非织造材料是非织造材料的重要发展方向。综合近年的研究进展可以发现，性能优异、种类丰富的新型纤维及改性纤维为医用防护非织造材料的功能多元化提供了更多可能。产品性能的改善可以从纤维原料的选择和制备工艺入手，如纤维改性、多种纺丝方式组合等，以综合有效地利用各种资源。此外，利用后整理法、接枝法等可赋予非织造材料抗菌性、防渗性等功能。目前，医用防护非织造材料功能性较为单一，纤维性能的完全发挥及产品功能多样化、高性能化仍是医用防护非织造材料面临的挑战，同时成本也是关注的焦点。