功能化自吸式口罩研究现状

欧思敏，李娇娇，刘志远，张 瑜，程 杰，崔景强

（1.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南 长垣 453400;2.河南驼人医疗器械集团有限公司，河南 长垣 453400）

0 引言

自吸式口罩的应用范围极广，例如民用普通防尘口罩、军用防毒口罩和医用防护口罩等。2019 年以来的新冠肺炎疫情的爆发，使口罩迅速受到大众的关注，医用口罩成为了生活必需用品。由于对口罩的使用量不断增加，人们对自吸式口罩的研究也逐渐深入，而功能化自吸式口罩也得到了越来越多的关注，包括普通口罩、医用口罩、变温口罩、抗菌抗病毒口罩、自发电口罩、可降解口罩和耐辐照口罩等。

1 自吸式口罩

口罩是一种用于过滤进入口鼻的空气的卫生用品。自吸式口罩作为呼吸防护用品，能有效地防止有毒有害物质被吸入人体，从而减轻所处环境对人体造成的伤害，因此在日常生活中被广泛使用。

自吸式口罩包括口罩主体与滤材两部分，口罩主体起固定、支撑、保护等作用；滤材则可以滤除所处环境中的粉尘、有毒气体、细菌和病毒等，不同的材料和工艺制成的口罩对物质的滤除作用有所差异。目前的口罩主要是基于静电吸附或纳米筛滤而达到其过滤作用。

2 功能化自吸式口罩现状

为了防疫，口罩迅速受到大众的关注，医用口罩成为了防疫阶段的生活必需用品。由于对口罩的使用不断增加，人们对自吸式口罩的研究也逐渐深入。

2.1 自吸过滤式防尘口罩

目前的防尘口罩主要有自吸式和送风式口罩两种，自吸过滤式防尘口罩是口罩里较为基础的一款，其结构相对简单，主要功能是过滤空气中的粉尘等大颗粒物质。

近年来在我国一些地方雾霾情况时有发生，PM2.5 作为雾霾的主要成分，可通过呼吸深入到人体肺部，刺激和腐蚀肺泡壁，损害呼吸系统功能[1]。此外，长期暴露在粉尘环境条件下工作的人群，患呼吸系统疾病的概率也比较大。而有效地使用口罩能预防粉尘等对呼吸系统的损害，降低一些疾病的发病率，例如一些粉尘对人体呼吸系统造成伤害而导致的尘肺病。

防尘口罩的使用范围极广，除基础的自吸过滤式防尘口罩外，关崇山等人[2]还将口罩支撑部分的制造与3D 打印技术结合，通过对用户的面部信息进行数据处理，最后采用3D 打印快速成型的方法制造密封圈，为用户定制更为贴合自己面部的防尘口罩，在提高佩戴舒适性的同时，保证了气密性，使过滤效果达到最佳。

2.2 医用口罩

口罩按用途可分为医用口罩和非医用口罩两大类，目前我国医用口罩共有3 种，分别是医用防护口罩、医用外科口罩和一次性使用医用口罩。作为第二类医疗器械，医用口罩能隔绝粉尘、细菌、病毒和喷溅的血液等，是医疗领域不可或缺的医疗器械之一。现在可大量生产的医用口罩除鼻梁条和耳带之外，主体部分一般为SMS 结构，共有3 层：从外层到内层分别为无纺布层、熔喷布层和无纺布层。其中外层无纺布层起支撑口罩和防喷溅的作用，能有效防止手术或其他操作过程中血液等液体的喷溅，保证其防护效果；中间层熔喷布层起过滤细菌等作用；内层无纺布层起吸收呼出水汽作用。3 层结构组合保证了医用口罩的防护效果。

由于粉尘、细菌、病毒的大小与性质都有所差异，不同环境下的医用口罩要求也不同，口罩的中间过滤层的性能要求也不同，与之对应的是3 种标准分别为：GB19083-2010 《医用防护口罩技术要求》；YY 0469-2011《医用外科口罩》；YY/T 0969-2013《一次性使用医用口罩》。口罩滤材需要兼顾过滤效率与通气阻力等性能，且不同的医用口罩的性能要求也不同，其中医用防护口罩的过滤效率要求最高。

目前应用较多的医用口罩过滤方式主要是中间层的熔喷布通过静电吸附，使悬浮的颗粒附着，从而起到过滤作用。这种过滤方式的好处是在达到较高的过滤效率的同时，具有较小的通气阻力，缺点是口罩的过滤效果会随静电的减少而降低。现有的中间层熔喷布大多是将材料熔喷成布后再进行驻极处理，从而使该熔喷布带静电。目前量产的驻极材料大多为聚丙烯（PP），另外还有尼龙-11、PET 等材料[3]，驻极方式常用的主要是静电驻极和水驻极。医用口罩的内外层无纺布多是用纺粘无纺布。目前对医用口罩的研究主要在改变其熔喷布和无纺布的原料和工艺上，我国的相关技术正处于快速发展阶段[4]。此外，霍倩等[3]分析了国内外现在驻极材料研究进展，研发出静电纺丝法制备口罩中间层的过滤材料，其过滤效果较好。

2.3 变温口罩

2.3.1 加热口罩

加热口罩可以通过加热结构使口罩拥有一定温度。在北方地区冬季气温较低，佩戴口罩时呼出的气体温度降至冰点，容易在口罩上结成霜，加热口罩的出现可以有效改善此类情况。

目前加热口罩的加热方式有自加热与电加热两种，自加热口罩无需外部电源接入，电加热则需外部电源供电。张文[5]通过在口罩中放置加热芯使口罩拥有自加热功能；李壮等[6]在通过两层口罩层集成加热结构，在供电情况下可以对口罩进行加热，并且配合医用口罩使用时能对医用口罩进行加热，同时使医用口罩过滤层的静电荷得以保持，从而提高病毒吸附力，延长医用口罩的使用寿命。

2.3.2 清凉口罩

清凉口罩可以通过热传导将温度由高温传至低温处等方法，使人在佩戴口罩时拥有凉感，提高了口罩佩戴者的舒适度。清凉口罩可以改善因长时间佩戴普通口罩而产生的闷热潮湿等情况。胡海霞等[7]对口罩内侧的无纺布进行凉感整理，利用凉感整理剂实现清凉口罩的制作，确定了凉感整理的最佳工艺方案。

2.4 抗菌抗病毒口罩

口罩可以过滤粉尘、细菌和病毒等，但目前大部分口罩都只是起过滤作用，并不能灭活病毒和细菌，若废弃的口罩未规范处理，很容易导致废弃口罩上存活的细菌或病毒造成二次污染。而抗菌抗病毒口罩的研究和推广可以有效解决这类问题。

由于新型冠状病毒有高传染性和高隐蔽性，在疫情爆发的背景下，废弃口罩上存活的病毒很容易再次扩散而造成感染。抗菌抗病毒口罩能灭活细菌和病毒，阻止病毒的传播，从而减少再次感染的风险。抗菌抗病毒口罩可以直接用抗菌抗病毒的原料制成，也可以利用枝接、涂层、微球等技术在口罩的基布上添加抗菌剂来实现。

贾芳等[8]研究发现，用壳聚糖溶液对口罩整理后能明显提高口罩的抗菌性能；王亚等[9]采用乳化交联法，制备抗菌微胶囊，之后再利用其对口罩所用的无纺布进行处理，也提高了医用口罩的抗菌性能；M Martí 等[10]研究出一种抗菌无纺布用于口罩，该无纺布利用了苯扎氯铵（季铵盐的一种）良好的抗病毒特性，使病毒和细菌在接触到口罩时被灭活，从而达到抗菌作用。

2.5 自发电口罩

现医用口罩的过滤主要依靠中间层熔喷布的静电吸附作用达到颗粒物过滤和细菌过滤效果，但其静电作用在口罩开始使用后会逐渐减弱，所以目前口罩的使用时间非常有限，这大大降低了口罩的利用率。自发电口罩可以在口罩的使用过程中利用自身性能和周围环境维持中间过滤层的静电荷，从而保持其过滤效率、实现长时间的高效防护。目前自发电口罩可以利用摩擦纳米发电机实现自发电功能，改善了普通医用口罩在佩戴时中间层的静电荷耗散较快的问题，无需定时更换口罩，也能保持其过滤效果，明显延长了口罩的使用寿命，可以解决短时间内口罩短缺的问题。

Nannan Wang 等[11]通过静电纺丝的方法制备了一种基于聚乙烯醇（PVA）的医用口罩，在高湿度环境下可以自行充电，并且具备优异的电荷保持性能。其基本原理是利用PVA 是电正性的摩擦聚合物和PP 是电负性的，所以口罩外层的PP 可以与中间层的PVA 组成摩擦纳米发电机，当PP 与PVA 接触并分离时，PVA层就可以带正电，从而实现了自充电。而且PVA 的中间吸附层可以和人体呼出的水蒸气分子以氢键的形式结合，作为该发电机的正极材料，这有利于口罩在人体佩戴一定时间后的高湿度下仍然保持其过滤效率。此外，它还具有强大电荷存储能力，在高湿度环境下表现出远低于PP 的静电耗散率。以手拍充电的方式相对简单，便于操作。

2.6 可降解口罩

可降解口罩在一定条件下可以完全分解，能减轻大量废弃口罩造成的环境污染。目前一次性口罩使用最多的材料为聚丙烯材料，聚丙烯材料有很好的耐腐蚀性能。随着一次性口罩使用量和丢弃量的增加，对环境造成了严重的破坏，可降解口罩作为环境友好型防护用品得到了人们极大的关注。可降解口罩的研究与推广可以有效减少废弃口罩对环境造成的影响，从生产口罩的原材料上入手，从根本上解决了口罩废弃后的环境污染问题。

可降解口罩分为部分可降解口罩与完全可降解口罩，就目前的研究技术而言，可降解口罩在自然环境的条件下，没有明确的降解周期，但可以通过堆肥或酶降解等方法评价其降解性能[12]。

以可降解材料为原料可以制成非织造布，用作口罩的内外层无纺布及中间层熔喷布。现已有聚乳酸制成的纺粘无纺布及熔喷布。此外，Broto Widya Hartanto等[13]利用AHP 研究分析了可做口罩的不同材料的性能，最后发现Quilt 和棉（600TPI）是最合适的，用其制成的口罩能兼顾过滤效率与透气性，同时可降解，对环境的影响最小。S Choi 等[14]研究出一种可在土壤中完全分解的生物降解的高性能纤维过滤层材料，可用于制作成可降解口罩。其原料壳聚糖与纤维均可降解，利用壳聚糖纳米晶须的永久性静电吸附作用和纳米纤维的物理过滤作用能达到过滤的效果，S Choi 等人的研究表明，这种过滤材料在堆肥土壤中可以在4周内完全分解。

2.7 耐辐照口罩

传统口罩的灭菌方式为环氧乙烷灭菌，由于环氧乙烷是一种有毒气体，在灭菌后一般需解析14 天。耐辐照口罩的研究可以改进口罩的传统灭菌方式，通过辐照面灭菌的方式替代传统的环氧乙烷灭菌，不仅能减少环氧乙烷对人体造成的伤害，而且能缩短生产周期，有利于应对疫情爆发等情况而导致的口罩短缺等问题。

尹玉吉等[15]研究出一种耐辐照熔喷级聚丙烯复合材料及其制备方法，以其为原料制备出的口罩可以采用辐照灭菌的方式进行灭菌，聚丙烯在高能射线下会产生自由基，进一步反应会引起聚丙烯分子链结构的变化，从而导致以聚丙烯为原料的材料性能的下降，因此，对聚丙烯进行改性可以在辐照灭菌后仍然保持其强度。此外，在实现耐辐照的同时，还具有优异且合适的流动性，适用于采用辐照灭菌的聚丙烯熔喷级无纺布。

3 结语

在雾霾和新冠疫情的情况下，随着健康与安全意识的增强，人们对口罩的各方面性能要求也随之提高，包括口罩的过滤效率、舒适度、二次污染和审视口罩对环境造成的破坏等。各种功能化自吸式口罩的出现，赋予口罩不同的功能，满足人们不同条件下的需求。因此，各类功能化自吸式口罩的出现是必然结果，并且符合高效、实用和可持续发展的发展趋势。未来的自吸式口罩也会向更多元的方向发展，口罩的功能也会随人们的需求与科技的发展不断更新与完善。