PTFE微孔膜在安全防护领域的应用探讨

孙喜娥，廉志军，张师军，徐毅辉，姜超，高达利

（1.内蒙古工业大学 内蒙古呼和浩特 010080；2.中国纺织科学研究院有限公司 北京 100025；3.中石化（北京）化工研究院有限公司 北京 100013；4. 中国石油化工股份有限公司 北京 100728）

1 前言

PTFE（聚四氟乙烯）微孔膜是由PTFE树脂经特殊工艺拉伸而成的薄膜，其微观形态为微纤维纠缠相连形成的蜘蛛网状结构，微纤维之间的孔隙形成无数微孔[1]。PTFE分子结构为完全对称的无枝化线性聚合物，C-C主键的周围被氟原子紧密包围，C-F键是最牢固的高分子键之一，对称的氟原子使其整个大分子不带极性，表面能较低，化学稳定性好。PTFE的化学结构使其制品具有良好的耐热性、耐化学品性、耐腐蚀性、疏水性、耐老化性。

20世纪60年代美国杜邦（DuPont）公司首先采用单向拉伸法制得PTFE微孔膜，1973年美国戈尔（GORE）公司成功开发了双向拉伸PTFE微孔膜[2]。双向拉伸技术的进步使得PTFE微孔膜的性能不断提升，在透气性、透湿性、过滤性方面可满足不同领域的应用要求。

PTFE微孔膜孔隙率可达80%以上，微孔孔径在几十至数百纳米之间，常用的服装用PTFE微孔膜平均孔径在200nm左右，是水分子直径的500倍以上，又远小于液体水滴的直径，很容易允许气态水通过，又能阻隔液态水和固体颗粒物，兼具高透湿性、高过滤性。

PTFE微孔膜优异的性能使其在医疗卫生、航空航天、石油化工、消防、户外运动等领域得到广泛应用。尤其是近几年，受全球新冠疫情的影响，PTFE微孔膜在防护服、口罩等方面的应用越来越多。文章将从医疗卫生、消防、化学防护等方面探讨PTFE微孔膜在防护领域的应用情况。

2医疗卫生领域

医疗卫生领域是对防护性能有较高要求的领域，进入21世纪以来，大规模传染性疫情频发。从2003年的非典肺炎、2009年的甲型H1N1流感、2012年的中东呼吸症、2014年的埃博拉病毒、2016年的巴西寨卡病毒到2019年开始并持续到现在的新冠肺炎疫情，不断给医疗卫生领域带来挑战[3]。在应对传染性强的病毒性感染时，医护人员与患者之间需要建立一个可靠的隔离屏障，以保证医护人员自身的安全，这个隔离屏障包括防护服、口罩等产品。

2.1 PTFE微孔膜在医用防护服领域的应用

根据使用特性，医用防护服分为一次性医用防护服、可重复使用医用防护服两种。

一次性医用防护服主要是非织造复合材料产品，我国执行的产品标准为GB 19082-2009《医用一次性防护服技术要求》，指标体系包括防护性、舒适性和力学性能指标，具体指标包括抗渗水性、透湿量、抗合成血液穿透性、表面抗湿性、断裂强力、断裂伸长率、过滤效率、阻燃性能、抗静电性、静电衰减性能、皮肤刺激性、微生物指标、环氧乙烷残留量等，对液体阻隔、颗粒物阻隔、透湿性等均有要求。

PTFE微孔膜的高液体阻隔性、高颗粒物阻隔性和高透湿透气性使其非常适合用于可重复使用医用防护服面料。

早在20世纪70年代，美国GORE公司率先进行PTFE微孔膜与织物复合面料产品开发[4]。GORE公司生产的外科隔离膜类（CROSSTECH EMS）织物是第一种符合ASTM 1671标准的可重复使用隔离织物，被美国、加拿大和欧洲手术室医护人员广泛使用，CROSSTECH EMS医用织物能有效阻隔血液、体液、普通化学药品的渗透，并具有良好的透湿性，提供的防护性能和舒适性高于其他层压或涂层产品[5]。

我国对PTFE微孔膜的研究始于20世纪70年代，但直到21世纪初才有产品推向市场[6]。2003年非典肺炎爆发，导致国内医用防护服一度短缺，郝新敏[7]等人将PTFE微孔复合膜与纯棉或纯涤面料采用层压工艺制成“非典”防护面料，并通过嵌织有机导电纤维提供抗静电性能，面料综合防护性能超过国标GB 19082-2003的要求，并可经15次消毒和洗涤重复使用，为2003年的抗击非典作出了贡献。

王欢[8]等人研究将聚酰亚胺纤维面料与PTFE微孔膜进行复合，开发可重复使用医用防护服面料，洗涤和消毒10次前后复合面料的性能指标均能满足GB 19082-2003要求，其消毒方法为121℃高压蒸汽灭菌30min，洗涤和消毒10次后透湿性能从6725g/（m2.d）下降至3940g/（m2.d），抗合成血液穿透性从4级下降至3级，其他指标变化不大。

姚登辉[9]等人研究了复用医用手术服面料，将多沟槽异截面高亲水涤纶有色丝经编面料与PTFE微孔膜用热熔胶进行复合，所用PTFE微孔膜的厚度为30～45μm，孔径为10～50nm，经80次医用洗涤—烘干—消毒处理后，各项指标都符合YY/T 0506.2-2016《病人、医护人员和器械用手术单、手术衣和洁净服》的要求。

PTFE微孔膜在医用防护服、手术衣等方面的应用将越来越广。

2.2 PTFE微孔膜在医用口罩方面的应用

口罩是重要的医用防护物资，其主要作用为阻挡飞沫传染。目前医用口罩的核心过滤材料是聚丙烯熔喷布，过滤效果较好的聚丙烯熔喷布纤维的尺寸在1～6μm左右，纤维间的孔隙非常多，对粒径1μm以下的颗粒物直接阻挡效果差，其主要过滤机理为静电吸附，经过驻极处理的熔喷布有良好的过滤性能[10-11]。但随着静电的散逸，熔喷布的过滤性能下降，所以一般熔喷布口罩的有效期都在2年以内[12]。

PTFE微孔膜孔径可控制在0.1～0.2μm左右，能直接阻挡粒径0.3μm以上的颗粒物，其主要过滤机理为物理筛分[12]。口罩用PTFE微孔膜除了考虑过滤效率外，还要考虑气流阻力，因此膜的厚度远小于服装用PTFE微孔膜，通常厚度在1μm左右，加工难度大，需要与无纺布或其他支撑材料复合后使用。

近两年，口罩用PTFE微孔膜推出了一个团体标准T/SDAS 206-2020《口罩用聚四氟乙烯（PTFE）纳米复合膜》，对非油性颗粒过滤效率、油性颗粒过滤效率、细菌过滤效率、水洗过滤效率衰减率、酒精消毒过滤效率衰减率、气流阻力等都制定了相应的指标。以Ⅳ类产品为例，标准要求其非油性颗粒过滤效率≥95%、油性颗粒过滤效率≥95%、水洗过滤效率衰减率≤10%、酒精消毒过滤效率衰减率≤10%、气流阻力≤175Pa。

PTFE微孔膜口罩具有过滤效率高、可重复使用的优点，但随着颗粒物沉积，气流阻力会上升，将PTFE微孔膜与聚丙烯熔喷布进行组合使用可开发出高性能口罩产品。

3 消防领域

消防人员在执行任务时穿着的灭火防护服对保障消防员人身安全有重要作用，根据GA 10-2014《消防员灭火防护服》的规定，消防灭火服的面料结构从外到里依此为：外层、防水透气层、隔热层和舒适层。在提高灭火防护服的热防护性和舒适性方面，防水透气层材料的选择非常重要，GA 10-2014规定的透湿率指标为不小于5000g/（m2.d），耐静水压指标为洗涤25次后不小于50kPa，PTFE微孔膜耐热、高透湿、防渗水的特性使其非常适合用于灭火防护服的防水透气层。

1982年，美国GORE公司开发出复合PTFE微孔膜的GORE-TEX防潮透气面料，并首次将这种面料应用于消防和安全领域，该面料具有持久的防水性能，并能提供优异的透气性、热稳定性，可以降低消防员的热应激反应，1989年美国消防协会（NFPA）和其技术委员会将GORE公司的防潮透气面料认定为行业标准[13]。

RL Barker[14]等将PTFE微孔膜与芳纶面料复合用于消防员防护服的隔热层和防潮层，研究测试了复合面料的防水透湿性能等热湿性能。刘亚光[15]研究了3层结构的消防员灭火防护服，将PTFE微孔膜、芳纶隔热毡及均匀分布的硅胶凸点组成新型防水透气隔热层，热防护性能与标准4层结构的消防员灭火防护服相近。金艳苹[16]等研究了新型消防服隔热层织物热防护性及热湿舒适性，所用的12种消防服用多层织物的防水透气层均为PTFE微孔膜复合芳纶织物，复合织物厚度0.53mm，面密度110g/m2。蔡普宁[17]等研究了消防服用芳纶隔热层面料的热防护性能，以芳纶1414针刺毡为例，复合PTFE微孔膜后热防护系数提高43.78%。邱浩[18]等在消防服多重功能的研究进展中指出PTFE微孔膜用于防水透气层，不但具有良好的防水透气和耐高温性能，还具有自动抗油脂性能，可缓解以往消防服多次使用后防水透气性能严重下降的问题。

综上，PTFE微孔膜与芳纶的复合织物具有防水透气、阻燃隔热的特性，用于消防领域可在为消防员提供保护的同时提供更好的湿热舒适性。

4 化学防护领域

PTFE微孔膜耐强酸、强碱、有机溶剂，即使对王水也能保持稳定性[19]，因此在化学防护领域也有广泛应用。化学防护服包括隔绝式防护服、半透气式防护服、透气式防护服，PTFE微孔膜主要用于半透气式防护服和选择性透气式防护服。

在化学防护领域，美国GORE公司提供从头到脚的解决方案，GORE公司开发的PTFE微孔膜与织物复合的CHEMPAK超防护性系列面料可满足不同场合生化防护服的要求，CHEMPAK面料为三明治结构，中间层为平米克重10g～29g的PTFE微孔膜，对气溶胶、液态或蒸汽状有毒化学品均可选择性隔绝[20]。选择透过型CHEMPAK面料可满足NFPA 1994《危险物质应急反应人员和CBRN恐怖事件应急保护标准》类目3、3R、4、4R，和NFPA 1992《危险材料事故用防液体喷溅套装和服装标准》的要求。超阻隔型CHEMPAK面料可满足NFPA 1994类目1、2、2R要求。

美国杜邦公司将PTFE微孔膜用于选择性透气式生化防护服，为消防员、士兵、警察等提供极端条件下的安全保障，不仅能有效防护有害物质的侵入，还能透汗、防热，重量也仅为传统隔绝式防护服的一半[21]。

目前国内一些企业也提供以PTFE微孔膜为阻隔层的选择性透过式化学防护服产品，并在石油化工、应急救援等领域得到应用。

5 结论

PTFE微孔膜以其卓越的选择透过性、化学稳定性和耐温性而在防护领域有广泛的应用，是重要的防水透气阻隔材料。PTFE微孔膜与不同类型织物的复合面料可满足不同行业的防护指标需求，在医疗卫生、消防、化工等领域发挥了重要的作用，具有很大的市场空间，但国内在PTFE微孔膜及复合面料开发方面还有不足之处，很多专业领域的应用产品开发鲜有报道，部分行业甚至依赖进口产品，需要加大科研攻关力度。