新型口罩过滤材料的多功能化研究

2022-03-24陈恩乐张佳栋于晓达于晓庆韩一戈

轻纺工业与技术 2022年5期

陈恩乐，张佳栋，于晓达，于晓庆，韩一戈

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010080）

日常生活和医疗场所中使用的医用口罩大体分为四类，分别是医用防护口罩、医用外科口罩、医用颗粒物防护口罩、普通医用口罩。普通医用口罩的生产快速简便，适合日常防护、接诊处置、卫生清洁等普通场所。这类口罩通常由耳带、鼻梁条、过滤层等构件组成，还可以根据需要配备鼻夹、头带、呼气阀等。选择不同材料的过滤层对防护效果的发挥起着决定作用，例如常见的三层结构（简称SMS，S为纺粘层，M为熔喷层），其中上下两层的纺黏无纺布是手感和强度的影响因素，中间层的过滤材质则直接关系着过滤性能和屏蔽阻隔作用。

为了加强个人防护，公众对于口罩的性能和品质要求也不断提高[1-2]。随着技术创新和供需变化，我国将从口罩出口大国向技术强国转变，不仅需要提高产能满足基本需求，还需要不断改进和升级吸附/过滤功能材料，实现按需定制和技术创新[3-5]。另外，人工智能、大数据、物联网等新技术应用于口罩研发生产上的关注也在不断升温，低碳发展规划下环保意识的提高促使可生物降解、抗菌抑毒、可重复使用等新型口罩材料成为研究热点。

1 新型滤材

1.1 纳米微纤化纤维

纳米微纤化纤维（NFC）的纤维直径较小（直径小于1000nm），因此具有较大的比表面积，纤维间相互堆积后形成的纤维毡孔径小，孔隙率较高，常被用于制作滤芯。利用NFC材料制成的口罩，在特殊处理后过滤效率可达99%以上。东华大学还研发了阻力气压约为大气压的0.11%，可以长效使用的纳米蛛网/纤维材料，使用芳纶/聚氨酯制备出高效、超薄、高透光的二维纳米网络结构材料[6]。

1.2 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯膜材料的过滤效果较好，通过简单的热水消毒后能够重复使用，可以减少废弃物产生量。但是使用过程中存在盐性颗粒物沉积的问题，可能使其过滤阻力相应增加，对有呼吸疾病的患者和体弱人群（如老人、儿童、孕妇等）具有一定的健康风险。膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）是一种新型医用高分子材料，是聚四氟乙烯树脂经过膨化拉伸工艺加工而成的，滤膜孔径远远小于普通熔喷布，可以实现物理阻隔病毒，如能量产有望实现口罩滤材尺寸的纳米化[7]。

1.3 抗菌杀毒

一般口罩只能起到阻隔病毒的作用，无法真正的杀死病毒。为了提高口罩的抗菌效果，可以采取添加纳米抗菌材料或者消毒灭菌药剂等方法[8]。朱孝明利用光催化抗菌材料二氧化钛，制造出改性的二氧化钛/纺黏-熔喷（SM）抗菌滤材[9]。苏炫魁设计口罩中间的过滤层吸附氧化石墨烯-铜银纳米的复合物以及黄芩、丁香、白术、鱼腥草等中草药液，改良了过滤及杀菌性能[10]。刘吉娜采用水性聚氨酯乳液与合成纳米银溶液制备出纳米银抗菌整理剂，再用紫外光固化将具有抗菌性的纳米银颗粒紧密附着在织物表层，使口罩的抗菌效果更加持久[11]。万桔臣利用雾化器将抗病毒和抗菌助剂渗透至复合保护层的纤维结构中[12]。

此外，光触媒技术也可用于抗菌口罩领域，借助纳米级二氧化钛在光照后能够产生氧化能力极强的氢氧基，可以直接破坏一些细菌、病毒、孢子等对人体有害微生物的细胞壁、细胞膜及其DNA结构，从而达到除菌目的。太仓斯迪克新材料科技有限公司研发了一种内部含有纳米级光触媒功能层（主要成分为纳米二氧化钛）的医用口罩[13]，通过将光触媒纳米粉末填充在上下两层棉纱之间，不但能够有效地抑制传染性病毒的传播，杀灭细菌和病毒，还可以去除异味，阻隔花粉、粉尘等微小的异物等，且对空调过敏的患者也具有一定的保护性。

1.4 生物降解

可生物降解的口罩一般选用天然纤维及其衍生物合成的高分子、生物聚合物，例如Lyocell纤维，废弃处理时可被微生物分解为二氧化碳和水，并且降解时间较短。Reicofil公司曾以纤维素/NMMO/水溶液为材料，生产出可降解的熔喷法非织造布。此外，聚乳酸也适合制作过滤层，由于其结构多为细长纤维，可以形成孔径较小的滤芯，然而缺点是柔韧性和耐久性并不理想[14]。昆士兰科技大学的Thomas Rainey开发了以甘蔗渣为原料的纳米纤维素材料，透气性好并且成本较低，能够筛除病毒尺寸的百纳米级别以下颗粒。

1.5 活性炭纤维

活性炭纤维具有孔道多和比表面积大的结构特点，表现出较高的吸附能力和表面活性。陶玥分析了活性炭纤维与银离子的还原吸附作用和释放过程，发现两者结合之后具有良好的过滤性和抗菌性[15]。但是活性炭纤维反复在外界环境中使用，接触水和污染物会造成老化失效，导致功能性和持久性下降，若不能有效再生利用就会造成吸附效率变差。

2 改善性能

口罩的防护机制及机理主要分为以下几种情形。直接捕获，当微粒随着空气到达口罩时，半径大的颗粒会被拦截在外部，之后沉积于纤维表面。气流在经过纤维层时，质量大的颗粒由于惯性作用撞击到纤维之间的缝隙中，产生惯性沉淀。空气分子在口罩过滤层中做热运动，同时与部分半径较小的颗粒碰撞，粒子呈现无规则运动（布朗运动），更大概率碰撞纤维并沉积到口罩表面，形成扩散沉积。重力沉降是指部分颗粒随空气流动时，因自身重力而沉降。此外，当空气中剩余的半径小、质量轻的微粒进入口罩时，静电处理后的纤维在静电作用下表面会吸引粘附这些微粒，达到滤除效果。

2.1 过滤效率

聚丙烯作为一次性口罩的主要原料，具有造价低廉，物理和化学性质较为稳定等优点。改性后的聚丙烯理化性能提升，可以赋予抗冲击、耐热、耐辐射等多项特性，被广泛用于医用、电器等领域。制备增强聚丙烯有多种方法，例如使用玻璃纤维直接掺杂，或者将其经过改性后再结合其他纤维混合增强，后者更适合制作口罩。欧璐利用比表面积和孔隙率更好的二氧化硅气凝胶对聚丙烯的熔喷布进行处理，发现改性后熔喷材料的过滤效果相对传统聚丙烯有明显加强[16]。周忠成采用聚乙二醇/聚丙烯改性聚合物原料制备出毫微米尺寸的嵌入式复合纤维，过滤性能随着聚乙二醇添加量的增加显著提高[17]。

2.2 舒适性

透气性和舒适度直接影响着口罩的使用感受。佩戴口罩的同时佩戴眼镜会有起雾现象[18]。如果长时间使用口罩可能致使呼吸不畅，并且脸部闷热潮湿也会导致皮肤发红发痒甚至过敏。佩戴时间过长，口罩挂绳会引起耳部充血疼痛等不适。为了解决上述问题，可以采用具有特殊断面或者毛细结构的凉感纤维来制作口罩。由于凉感面料作为口罩内层接触皮肤，可以明显减少闷热感，解决长时间佩戴导致的空气不流通问题，提高了舒适性。

此外，使用涤纶或者涤棉混纺织物作为口罩外层，可以起到保护内部滤材，抗皱免烫，易干保形的效果。涤纶强度高、弹性好，更加贴合脸部，密闭性得以提升，能够省去口罩的鼻梁条，改善舒适度。长期佩戴的口罩吸收潮气和灰尘等异物，如果使用者脸部油脂分泌旺盛，容易产生局部的皮肤症状。若在内部里层采用吸湿的PET非织造布，由于表面分布有均匀网孔，面层也有轧点，不仅可使触感更加柔软，并且透气耐用，防雾和防水汽效果得以提升。

2.3 使用时间

日常使用的由非织造材料（聚丙烯）制备的一次性医用口罩大多属于即用即弃式，延长口罩的使用时间可以有效减少原料和能源的浪费，航发航材院科研团队利用新型的石墨烯聚丙烯熔喷布制作了佩戴时间约为48h的口罩，单层二维结构且呈蜂窝状的石墨烯与其衍生物的抗菌抗病毒能力较优异、生物相容性较好。连续佩戴48h后，过滤效能仅降低了4%，有望成为传统口罩的替代品。

2.4 低碳设计

口罩相关的原材料生产和废弃物处理对于生态环境的负担不容小觑。仅以产量最大的聚丙烯熔喷布为例，由于降解过程长达几十年之久，大量使用后直接废弃将对环境造成很大危害。为了解决这一问题，可以借鉴塑料处理办法，首先需要加强可降解材料的研发，另外也应加快医用垃圾回收与处理分类的配套设施建设。针对口罩中携带的大部分细菌与病毒不耐高温的性质，采取高温机械处理对废弃口罩进行消毒灭活也是行之有效的。

通过纤维/填料复合改性方法，将废弃的口罩粉碎掺杂无机填料，即在熔融加工过程中填充功能性纳米粒子，最后获得具有各组分性能协同效应的复合材料。例如聚丙烯与其他烯烃类聚合物相似，分子链呈现对称结构，表现出相容性差的非极性特征，在混合物体系中与不同物质分子间的相互作用力较弱，难以粘接结合，限制了复合材料的加工和应用。一方面可以通过机械共混的方式，将聚丙烯与无机填料混合（或其他聚合物，类似混炼），进行填充或者共混改性。可以改良抗冲击能力，赋予其透气性、阻燃性、导电性、热稳定性等多方面的优良性质，之后再转化为其他塑料产品。另一方面还可以对聚丙烯的分子链进行化学改性，在大分子链上设计完成接枝、共聚、交联反应，借助引入的极性基团改变聚丙烯的自身性质，拓展再生利用途径。

3 智能设计

2016年中航航空电子系统股份有限公司参考飞行员的呼吸面罩，将换气送风功能用于口罩，有效地缓解了呼吸憋闷和废气滞留。电竞公司雷蛇在2021年国际消费类电子产品展览会上推出了一款透明智能口罩，不仅达到了N95防护级别，而且透过口罩可以看到佩戴者的面部表情。内置的麦克风和音频放大器可以根据需要提高佩戴者的说话音量。此外，还可有自感应照明、紫外线消毒、无线充电等智能化应用。

借助物联网技术还可以为使用者提供口罩更换提醒，根据空气质量推荐最佳通行路线等功能。可以预想的是，当引入检测模块与口罩结合时，还可以实时检测周边环境的空气质量，对呼吸系统疾病患者提供防护建议。通过附带的智能芯片，对所处地点空气污染物进行测算，发送信息至大数据中心处理，结合气象监测站的天气数据，可以快速制作精确到米范围的雾霾地图，有望实现分布式测量环境空气质量的设想。

智能口罩从概念化到现实的转化也面临较多问题。一是造价过高，且滤芯等模块需要定期更换，长期购买配件也是一笔不小的支出；二是质量较大携带不便，由于装有电动机、电池等多个部件，需要专门维护；三是电池续航时间，小型电池续航时间大多是几个小时，无法长时间运转。