抗疫人员的“护身铠甲”

陈荣圻

2019年底，突如其来的新冠肺炎疫情袭击了湖北省武汉市。2020年1月23日，武汉市暂时关闭离汉通道，阻断疫情快速扩散蔓延；直至2020年4月8日武汉市解除离汉离鄂通道管控，历时76天，成为我国新冠肺炎疫情防控的一个里程碑。2020年9月8日，习近平总书记在全国抗击新冠肺炎疫情表彰大会上宣布，我国抗击新冠肺炎疫情斗争取得重大战略成果，这充分展现了中国共产党领导和我国社会主义制度的显著优势，充分展现了中国人民和中华民族的伟大力量，充分展现了中华文明的深厚底蕴，充分展现了中国负责任大国的自觉担当。在这关键时刻，全国各省市和人民军队积极响应党的号召，迅速派出4万多名医务人员奔赴前线。“护身铠甲”极大程度地保护了我们的医务人员，包括防护服、口罩、手套、眼罩等，其中防护服和口罩都属于纺织品，所以表彰大会上除了授予钟南山“共和国勋章”，张伯礼、张定宇、陈薇等“人民英雄”称号外，还表彰了多个全国抗击新冠肺炎疫情的先进个人、先进集体，以及全国优秀共产党员、全国先进基层党组织。其中，纺织行业11人获得全国抗击新冠肺炎疫情先进个人、13个集体获得全国抗击新冠肺炎疫情先进集体、1人获得全国优秀共产党员、6个党组织获得全国先进基层党组织［1］。本文就口罩和防护服生产工艺作简短介绍。

1 口罩［2］

为防控新冠肺炎疫情，我国人民佩戴口罩已成为一种新习惯，乘坐公共交通，到医院、展览会、博物馆等公共场所必戴口罩。呼出的飞沫中如约95%带有病毒即能感染，飞沫平均直径为1～5μm，而新冠肺炎病毒平均直径为100 nm（即0.1μm），如为气溶胶，直径为0.01～10.00μm，口罩孔隙低于气溶胶和飞沫直径，可以阻挡病毒入侵人们的呼吸道。

1.1 分类

目前，我国口罩有3大类：第1类为医用口罩，又分为医用防护口罩、医用外科口罩、一次性医用口罩3种；第2类为劳动保护口罩即KN95、KN90类口罩，KN95、KN90和KN100是指过滤元件等级即美国的认证等级；第3类为日常防护口罩。口罩执行标准、适用环境和性能指标见表1。

表1 各类口罩的执行标准、适用环境和性能指标

1.2 口罩面料

1.2.1 无纺布

目前，市场上的一次性口罩以平面口罩为主，基本上是采用无纺布材料，以等规聚丙烯（PP）为原料生产出的纺粘无纺布和聚丙烯熔喷布组成。3层无纺布结构为纺粘-熔喷-纺粘，一般用SMS表示。外层纺粘无纺布即防漏层，具有抗湿功能；中层为等规聚丙烯熔喷无纺布，作为过滤吸附层；内层也是等规聚丙烯纺粘无纺布，为亲肤吸湿层。目前，国内口罩层数最多是5层，中间有3层熔喷无纺布，用SMMMS表示。其中，中间层是口罩的核心组成部分，通过吸附、过滤将病毒（飞沫或气溶胶）阻挡在外，避免与呼吸系统接触。

无纺布又称非织造布，是一种由疏理网或由纺丝方法直接制成的纤维通过杂乱无章排列或定向铺置的纤维层构成的纺织品。这种方法是聚丙烯溶液（温度在聚丙烯熔点165℃以上）由喷丝头喷出后，用铺放机将长丝直接铺放在输送网帘上成网，产量很高。非织造布用途很广，主要用作工业过滤材料，土工布，绝缘、隔热、隔音材料；医疗卫生领域中用作手术衣、绷带、妇女卫生巾等；也用于制作服装，但很少见。

熔喷无纺布采用熔喷成网法制成。纺丝在熔融状态下高速喷出形成纤网，常用于聚丙烯、聚乙烯、聚酯等切片原料，经螺杆挤压机加热、挤压，由一排喷丝孔挤出；喷丝孔周围为喷气孔，喷出高热空气，吹动挤出的纺丝液，强烈气流起拉伸作用，使喷出的丝迅速拉细，其细度可达2～10μm，随气流的速度和温度的不同而变化。由于气流冲击的波动性，所吹出的丝长短也有变化，大部分为短纤维。纤维随气流喷向多孔滚筒或帘网上形成纤网，由于纤维是随空气喷出，到达网帘上时仍保有一定的温度，故纤维间能互相粘合成网，具有一定的强度和蓬松度，单位面积质量一般为80～120 g/m2。在喷丝过程中，纤维可以进行高压静电处理，使软化态下的纤维分子带上电荷，在冷却后仍保持一定的电荷量，可达数百伏特，成带电的驻极纤网。产品适宜作为过滤材料，口罩中间的过滤层也需要这种处理。医用口罩和KN95口罩的中间层是许多高熔融指数的聚丙烯纤维纵横交错，以随机方向层叠而成的膜，纤维直径0.5～1.0μm，熔喷非织造布的过滤层是口罩的核心部分。

KN95、KN90口罩是除了医用防护口罩和医用外科口罩外最有效的一种口罩，规格依照GB 2626—2019《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》；在断裂强力方面，30～50 g/m2的熔喷布规定为横向大于等于6 N，纵向大于等于9 N；60～100 g/m2的熔喷布规定为横向大于等于10 N，纵向大于等于11 N。KN95、KN90气流阻力都是140～220 Pa。我国口罩出口数量甚多，必须遵守相应国家的口罩标准，欧盟标准为EN 149:2001+A1:2009，美国标准为NIOSH Stan⁃dards（Title42 CFR Part 84），气流阻力为170～220 Pa。GB 2626—2019在高温、低温及加湿预处理的方法和要求方面都与欧美标准接轨。

1.2.2 纳米金属氧化物［3］

日本有一种口罩，商品名为“ONYONE”，通过在外层无纺布中添加纳米级TiO2，在光照下产生离子自由基，从而起到杀灭细菌和病毒的作用。纳米级TiO2吸收光能后使空气中的O2生成·O2-，空气水分生成·OH-，两者都非常活泼，有极强的化学活性，能与细菌及其分泌出的毒素发生反应，从而将其杀灭。

1.2.3 热风棉

日常较多使用的N95口罩一般都是立体可折叠型的。这款口罩所用的材料除了外层和内层为相同的纺粘无纺布，中间为1层熔喷无纺布以外，中间还加有一层热风棉，如图1所示。

图1 N95立体口罩结构图

ES（聚乙烯）热风棉也被称为热风棉无纺布，是一种皮蕊结构的复合纤维。口罩材料一般采用聚乙烯和聚丙烯复合纤维，用PE/PP表示；其中聚丙烯熔点（165℃）较高，为主体纤维，核壳聚合中一般用作芯层，而聚乙烯的熔点（85～110℃）较低，作为粘结成分，一般作为皮层。ES复合纤维经过无纺布生产热风处理，聚乙烯皮层熔融而粘结，芯层仍保留纤维状态，纤维与纤维粘着，形成不用黏合剂的无纺布成型体。热风棉无纺布在N95口罩中属于一种填充材料，可增加过滤作用，使病毒更不容易接触人体，特别是通过口、鼻。

1.2.4 口罩带

带状带的一种，通常用36.9 tex的棉纱在针织纬编机上编制。直径0.3～0.5 cm，密度稀、带身松软，有一定的延伸性，用于口罩的扎缚带，多为漂白色。

2 防护服

新冠肺炎病毒具有一定的隐蔽性和极强的传染性，通过呼吸和说话等造成的飞沫在空气中传播，并具有一定的依附性，很容易通过皮肤、呼吸道和黏膜感染。为了提高抗疫一线医务人员、卫生防疫人员、口岸相关从业人员和一线监管人员的防范能力，口罩、防护服、护目镜、面罩、手套和专用鞋等成了必备的防护物资。

抗病毒防护服所用面料通过构成亚微米或纳米级微孔的非织造技术来实现。非织造织物是美国于1942年首先生产，我国于1958年开始研发，1960年后国产非织造织物开始上市。非织造织物以高分子聚合物切片为原料，工艺流程短，生产速度快，具有产量高、成本低、用途广、原料来源多等优点；又由于质量轻、保型性好、回弹性优良、洗后不回缩、保暖透气性好、价格低等优势，在医疗卫生领域可用于制作手术衣、防护服、消毒包布、口罩等。

2.1 以聚丙烯为原料的防护服

一次性抗病毒防护服由复合型非织造布构成，使用的原材料为等规聚丙烯（商品名丙纶），熔点165℃，密度910 kg/m3，为立体结构，容易结晶，分子结构式如下：

无规聚丙烯由3个次甲基聚合而成，是两种不同单体聚合而成的黏性油状物。

一次性抗病毒防护服面料主要采用热轧技术，将聚丙烯熔喷非织造布与聚乙烯（外层）和聚丙烯聚合的皮芯结构通过热轧层压（热风粘合）制得［4］。虽然这类面料便宜，但是舒适性不够，一天穿下来浑身是汗，很不舒服。

2.2 织物的舒适性

织物的舒适性是一个综合指标，主要由透湿性、保暖性和凉爽性等因素来决定，其次与手感风格有关。在不同环境中，当人体与环境间进行的能量交换达到平衡时，穿着衣服能使人体感到舒适。衣服在能量交换中起到调节作用，随着衣服调节作用的进行，经过生理、心理和物理因素的相互复杂作用，使人体感到舒适，此时的皮肤温度为33℃。人体活动时不断产生热量，通过衣服不断向周围散发。为了保持热平衡，不同活动应选择适当的衣服来调节能量交换，使人体感到舒适。人在高温环境中或大量运动后产生热量时，衣服应易于散热。在人体与环境间的能量交换中，服装一般通过湿热传递起调节作用，湿热传递与舒适性有极大的关系。

棉纤维制成的衣服具有较好的吸湿性，易吸收汗液，透气性也较好，能给人体以舒适感。由于聚丙烯具有疏水性，必须有高度空隙率（>82%）才能使汗液以水蒸气的形式排出（直径为0.000 4μm）；而新冠肺炎病毒平均直径约为0.1μm，飞沫直径为1～5μm，气溶胶直径为0.01～10.00μm，所以织物的微孔直径应控制在0.2～20.0μm，这样既能阻止新冠肺炎病毒通过衣服侵入人体，而且人体汗液蒸发产生的水蒸气又可以透过防护服排出。

2.3 织物的透气性

织物的透气性也称“透湿性”。在织物两边（人体和环境）有一定的相对湿度差存在时，水蒸气能从织物高湿空气一边流向低湿空气一边，一般用透气量表示。透气量是在织物两边维持一定相对湿度差条件下，单位时间内透过织物单位面积的水蒸气质量。通常，透气量标准为350～600 g/(m2·24 h)；重体力劳动时最高可达12 000 g/(m2·24 h)，最低值也达到2 500 g/(m2·24 h)；防护服的标准应在上述两种人体数据之间。透湿量的测试方法有多种，由于各测试方法的技术条件不同，数据很难比较。例如美国BS 7209—1990附录B采用20℃的水，大气条件为20℃，相对湿度65%；ASTM E96—2016采用32℃的水，大气条件为20℃，相对湿度50%。织物的透湿量越大，织物透湿性越好，穿着的舒适感越好。当人体汗液以水蒸气的形式能迅速透过织物被排出，而不凝聚在织物内表面时，人体感到舒适。水蒸气透过织物的主要方式是织物与高湿空气接触的内表面纤维从高湿空气中吸湿，水蒸气透过面料上的微孔传至织物的外表面，并向周围空气中扩散。

2.4 防水透湿功能织物

最早实现防水透湿功能的织物商品名为“Ven⁃tile”，是100%棉紧密织物［5］。其防水透湿的原理是织物被润湿后，棉纤维膨胀使纤维间的孔隙缩小，以致水不易渗透，但汗水蒸发产生的水蒸气可以从孔隙中逸出。随着细旦、高细旦高收缩长丝的超高密度织物（纤维密度超过7万/m2）的出现，这类棉纤维有了新的功能。

1969年，德国Core R W开发了划时代意义的多微孔聚四氟乙烯（简称PTFE）纤维，商品名“特氟隆”（Teflon），是特种合成纤维发展最早的品种；以聚四氟乙烯为原料，经纺丝或制成薄膜后切割或原纤化而制得，1953年由美国杜邦公司开发，先后申请了3个专利［US2230654（1941年）、US2314243（1946年）、US25340581（1952年）］，1957年实现工业化。分子结构式［6］如下：

聚四氟乙烯分子中的氟原子体积比聚乙烯分子中的氢原子大，氟碳键的结合力更强，起到了保护碳-碳链的作用，使化学稳定性好、耐腐蚀性优。与其他合成纤维比较，聚四氟乙烯纤维表面有蜡感，摩擦系数小，耐高温（400℃）和低温（-180℃），在-180～260℃可以长期使用，实际使用温度为120～180℃，耐气候牢度和抗挠曲性均较好；主要用于耐热防腐蚀过滤布、防护服、宇宙服、火箭发射台的苫布等。聚四氟乙烯的熔点高达327～400℃，所以不能像聚丙烯、聚乙烯、聚酯一样制作熔喷非织造布。

多孔PTFE层压薄膜“Core-Tex”的第一代产品于1976年推向市场，我国在20世纪末建成PTFE微孔薄膜的生产线，生产设备、设计原理和主要产品指标与Core公司相当，并在激光测定厚度和计算机自动控制技术等方面有所创新。我国于20世纪80年代应用PTFE所生产的防水透湿织物，已不在Core公司的专利有效期内，不存在侵犯知识产权，所以疫情期间产量大增，充分满足防护服的面料需求。

以PTFE为面料制作防水透湿功能服装有2种工艺技术，即层压法和涂层法。美国Core公司在1971年问世的“Core-Tex”就是层压织物，1976年第一代产品推向市场，第二代产品于1978年推向市场。荷兰Akzo Nobel公司开发的层压PTFE产品（商品名“Sym⁃patex”）在西欧市场的占有率达70%。近年来，国内制作休闲服和运动服所使用的就是有呼吸功能的PTFE层压织物（针织物或梭织物与薄膜层压粘合），一次性医用防护服都采用这种面料制成。其舒适性、透气性与防毒性，特别是前两者比聚丙烯熔喷非织造布优越。虽然价格不菲，但在防控疫情中必须坚持人民至上、生命至上的原则。

2.4.1 湿法涂层工艺

1962年，美国杜邦公司采用湿法涂层工艺研制出商品名为“Comform”的涂层织物，面料上的微孔贯通成网络，微孔直径控制在0.5～50.0μm，足以挡住新冠肺炎病毒及空气中的飞沫，且能排出水蒸气，具有良好的抗毒性和透气性。但是湿法涂层工艺使用的溶剂DMF具有毒性，因而被列入STANDARD 100 by OEKO-TEX和REACH法规的SVHC禁用清单中。

2.4.2 层压法工艺

该法是将多微孔的聚四氟乙烯和多微孔聚氨酯（PU）两种高分子化合物形成的膜粘合，PTFE在面料两侧，PU在中间层的3层材料（SMS）或4层材料（SMMS）复合于一体的加工技术。两种薄膜是由PTFE及PU树脂经加热、延伸、热处理而制成的多孔薄膜。整个过程都借助高速热气流迅速拉伸，然后在网帘或滚筒上均匀铺网，冷却后固化成形。PTFE面料具有高度疏水性、优良的耐热稳定性、耐化学性和绝缘性等。第二代“Core-Tex”织物是通过点状粘合层结合在一起的织物。我国研制开发了聚酯热熔黏合剂和耐低温的有机硅黏合剂，可作为面料的中间层。这些PTFE面料原先用于南极考察队、海上油田作业服和海军出海服装，自2020年起大量用于防控新冠肺炎病毒的防护服，国产PTFE面料的各种性能不亚于Core公司的产品，除了我国自用以外，还大量出口到国外。表2为国内外PTFE膜层压产品的性能比较。由表2可知，国内产品的性能与国外产品不相上下。

一线医务人员工作非常劳累，防护服除了要具有良好的透湿性、舒适性外，在寒冷天气下还需要具有一定的保暖性。一些纺织公司纷纷开发PTFE与PU的层压产品并投放市场，如美国杜邦公司的“Hy⁃trel”、美国Goodrich公司的“Estane”、日本帝人公司的“PoluskⅢ”、日本东洋纺的“Isofilm”、日本旭化成公司的“CorpolemⅠ”、中国台湾台茂公司的“DIAFILM”。我国防护服的产量最高，除了自用外，还可以支援他国。

医用防护服不仅应具有防水透湿性和舒适性，还需具有抗菌性能，所以在原料中混入纳米级的二氧化钛或氧化锌。据2020年4月17日《香港亚洲时报》报道，美国东北大学韦特斯特教授发表的一份报告称，纳米级金属氧化物能抗击新冠肺炎病毒，二氧化钛或氧化锌达到纳米级，用于防护服面料中，病毒会失去致病性，达到杀灭作用。

2.5 缝制成衣

一块面料内外两层为PTFE薄膜，中间为PU薄膜，作为粘合层（一层或两层），经高速热空气流拉伸后，在帘式滚筒上均匀铺网，形成窄幅片状、长度为滚筒周长的面料，然后缝制成衣。一次性抗病毒防护服采用连帽连体式构造，尽可能多地覆盖人体，减少暴露在外的部位，并在袖口、裤脚管处收紧，尽量减少拼缝部位，增强密闭性，降低病毒接触感染的机会；面部配备面罩和防护眼镜，手部配备束紧式橡胶手套。这样的防护装备能够有效地防止病毒侵入人体，而且舒适度和透气性比聚丙烯熔喷无纺布或涂层机织物要好得多。

3 技术短板

我国的新冠肺炎疫情防控取得了一定的成果，但仍存在不少技术短板。

3.1 喷丝头质量

口罩和防护服所用聚丙烯非织造布的熔喷成网车间是否正常生产，需以喷丝头更换率来衡量［7］，也被称为“喷丝头堵塞率”或“调头率”，即一台纺丝机24 h内喷丝头更换数与该纺丝机开绽数的百分比，也可用全车间24 h内（多台机）喷丝头更换率的平均数表示。计算公式如下：

化纤抽丝厂常以该数据表示纺丝正常与否。如果喷丝头更换率超过一定的数值，就表示纺丝不正常，纺出的丝不仅质量不好，后拉伸或处理也不正常。主要原因是纺丝组件和机械装置如喷丝头，以及湿法纺丝中的原液温度、浓度、杂质含量等各种因素的影响。其中喷丝头的质量很重要，大部分企业习惯选用国外产品。

3.2 非接触测温仪

非接触测温仪不但医院需配备，诸多公共场所、各居民小区都要配备，需求量巨大。其中红外传感器和微控制单元芯片MCU需要进口。

3.3 体外膜肺氧合（ECMO）设备

据悉，湖北武汉有呼吸机50～60台，ECMO设备5台，供重症患者使用，效果良好。ECMO的主要工作原理是将人体血液通过导管引出，经过模拟人体心脏功能的血液泵，将血液送入“人工肺”，使非氧合血氧合成氧合血，再通过导管输回人体。用它部分代替病人肺的呼吸功能，使病人的氧合指数在90左右（正常人数值>300），可为病人的肺病治疗争取时间，医生称它是救治重症新冠肺炎患者的“最后法宝”，作为最后治疗重症患者的手段。危重症患者经临床使用，效果明显。国家为挽救重症病人不遗余力，在疫情高发期间，发往湖北武汉67台ECMO，设备采购费高昂，且都要进口；在使用过程中，开机一次需要6万元左右；后期设备维护费用也不菲，为救治一位新冠肺炎重症患者需要付出巨大财力，这些费用都由国家负担。

2020年我国虽控制了疫情，但上述技术短板应早作准备。新冠肺炎疫情的最终控制取决于全球疫情的有效控制，不能松懈！