新冠肺炎防护口罩材料研究概述*

2023-01-16白艳红

广州化工 2022年1期

杨帆，白艳红

(西安交通大学化学学院，陕西西安 710049)

2020年春节前夕，中国大面积爆发由新型冠状病毒(2019-nCoV)引发的肺炎，新型冠状病毒具有以下突出特征：即使在潜伏期仍具有较强的传播能力、无症状感染者也具有传染性、传播方式多样(主要通过呼吸道飞沫，眼睛、嘴或鼻的粘膜间接接触，也存在气溶胶和粪-口途径传播)和传染能力强等，因此，对于防治新冠肺炎疫情，国家卫生健康委员会疾病预防控局疫情防控组指出：佩戴口罩是预防传染病最重要最有效的防控手段之一，可以有效降低感染新型冠状病毒的风险。

1 医用口罩的分类和使用

在抗击新型冠状病毒肺炎疫情中，起重要作用的主要是医用口罩，目前，医用口罩主要采取多层非织造布复合的形式制备而成，分为内、中、外三层，其中，外层是防水层，一般由纺黏或热轧非织造布组成，材料的孔径尺度较大，可以拦截尺寸较大的粒子，经过防水处理可以有效防止外界的飞沫等进入口罩内部；中间层是过滤层起过滤作用，由具有较强过滤作用的熔喷非织造布构成，大多采用静电驻极工艺对其进行改性处理，可以过滤尺寸更加微小的粒子，是医用口罩的核心部件；内层是由普通纺黏、针刺或水刺法非织造布构成的吸湿层，在保证吸湿性的同时又兼具亲肤性和舒适性。按防护等级递增的顺序，可以将医用口罩分为一次性医用普通口罩、医用外科口罩和医用防护口罩等。

1.1 一次性医用普通口罩

是用于覆盖使用者的口、鼻及下颌，在普通医疗环境中佩戴，阻隔口腔和鼻腔呼出或喷出污染物的一次性使用口罩，对致病性微生物以外的颗粒如花粉等有阻隔和防护作用。

1.2 外科手术口罩

主要是临床医护人员在有创操作过程中佩戴的能阻止血液、体液和飞溅物传播的医用口罩。符合YY0469-2004《医用外科口罩技术要求》标准的医用外科口罩，其对细菌的过滤效率不低于95%、对非油性颗粒的过滤效率不低于30%，医用外科口罩在生产过程中通过物理或化学方法杀灭所有微生物，以达到无菌的要求，比较常用的是环氧乙烷灭菌，其环氧乙烷的残留量需低于10 μg/g。外科医用口罩一般已经足够隔离口鼻分泌物，但在确保防护功用的前提下，该种口罩最多可以使用4 h，超过4 h就必须废弃处理，不可以再循环使用[1]。

1.3 医用防护口罩

医用防护口罩一般提供给专业性医护人员使用，可以预防呼吸道传染性微生物传播。医用防护口罩分为内、中、外三层，内层一般是纱布或无纺布，中间层是超细聚丙烯纤维熔喷材料过滤层，外层是无纺布或超薄聚丙烯熔喷材料层。医用防护口罩的疏水透气性好、材料无毒无害。按照国家标准GB19083-2003《医用防护口罩技术要求》，当空气流量(85±2)L/min时，医用防护口罩对直径(0.24±0.06)μm氯化钠气溶胶的过滤效率不低于95%，因此，医用防护口罩的中间过滤层对微小有害气溶胶和微尘的过滤效果良好，总体过滤效率大于95%，防护等级高。

2 口罩的作用机理

口罩拦截空气中颗粒的性能取决于口罩所用的材料的性能、颗粒的大小、表面电荷和空气流速等，基于经典过滤理论[2]，口罩过滤空气颗粒的机制主要分为五种：

2.1 惯性撞击

惯性是物体本身的一种固有属性，当直径大于1 μm的颗粒在空气中以高流速运动时，在惯性冲击作用下，纤维的高密度堆积特性会导致这些颗粒偏离空气流线并附着在纤维上，进而达到过滤的效果，且颗粒质量越大、速度越大，越容易被过滤[3]。

2.2 拦截

当较细的颗粒与空气一起流动并以低流速接近不规则排列的纤维表面时，纤维会拦截因范德华相互作用而形成的气溶胶颗粒。但在高空气流速时，被纤维表面拦截的颗粒会逃逸。拦截作用是去除直径在0.1～1 μm范围内的颗粒的最重要的机制，且拦截效率随颗粒尺寸的增加而增加。

2.3 布朗运动

当颗粒的直径小于0.1 μm时，由于在空气中被其他气体分子不断撞击，其运动轨迹呈现无规则的布朗运动，易于被口罩的纤维表面所吸附，从而导致颗粒的扩散和沉积，且微粒越小，效应越强[4]。

2.4 静电吸引

口罩材料中纤维带电，在静电相互作用中，由于库伦相互作用和极化作用，带电的气溶胶颗粒可以粘附到带相反电荷的纤维表面且粒径越小、质量越轻的粒子越容易被吸引，在不增加压力的情况下，静电相互作用可以使颗粒更牢固地附着在纤维表面并提高去除效率。因此，经常利用静电相互作用来捕获尺寸接近0.3 μm或更小的粒子[5]。

2.5 沉降作用

有害颗粒因自身重力而引起的直接沉降进而被滤料捕获，颗粒质量越大，越容易被捕获。一般来说，在使用口罩时，几种机制共同作用以防御有害微粒等。

3 口罩的材料

热塑性聚合物制成的熔喷布和纺黏布是医用口罩的主要材料，其中，熔喷布是医用口罩最重要的过滤材料，本文主要介绍聚丙烯原料以及可降解绿色纤维原料的研究现状：

3.1 基础原料聚丙烯及其改性加工

聚丙烯(Polypropylene)，简称PP，是一种半结晶的热塑性塑料，其耐热性能、耐冲击性能较高，机械性质强韧，物理化学性质稳定能有效抵挡多种有机溶剂和酸碱腐蚀，且成本低廉，是医用非织造领域的优质原料更是医用口罩的基础原料。为了进一步提升聚丙烯的性能以提高医用口罩的防护性，研究者们采取了多种方法对其进行改性处理。孟庆杰等[6]将活性炭、二氧化钛、聚丙烯等物理共混，经熔喷纺丝制备出活性炭负载二氧化钛改性聚丙烯熔喷无纺布，其吸附性能明显增强。欧璐等[7]通过熔融共混法成功制备了结构疏松的纤维网状二氧化硅气凝胶/聚丙烯熔喷非织造材料，与单一聚丙烯熔喷非织造材料相比，其过滤效率提升了约50%且透气性能有所增强。刘妙峥[8]在PP中掺杂有机添加剂聚四氟乙烯(PTFE)制备出PTFE/PP熔喷空气过滤材料，有效改善了PP滤材的过滤性能，并在前期研究基础上，制备了氟碳乳化剂FC6201改性PTFE/PP熔喷过滤材料，其过滤效率更为优异，最高可以达到92.9%。

随着生产工艺的成熟和人民对生命健康需求的日益提高，研究者们越来越关注医用口罩用非织造材料的抗菌性和抗病毒性。来宇超等[9]首先通过共沉积技术将聚多巴胺(PDA)和聚乙烯亚胺(PEI)沉积到PP上改性制备P-PP熔喷材料，再借助微波辅助法将银/还原氧化石墨烯(Ag/rGO)负载到P-PP上，制备出Ag/rGO-P-PP熔喷非织造复合材料，并以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为研究对象考察其抗菌性，结果发现，Ag/rGO-P-PP对两种菌种的抑菌率均大于99.99%，该研究为PP熔喷非织造材料的多功能化改性提供了新思路。

3.2 环保可降解绿色纤维原料

由新型冠状病毒(2019-nCoV)引发的肺炎，自2020年春节前夕大面积爆发至今，医用口罩的使用量和需求量持续增长，与此同时，产生了大量的废弃口罩，聚丙烯原料的及时降解存在一定的困难，进而造成严重的环境污染。从绿色环保理念出发，研究者们将医用口罩材料的目标锁定在绿色环保、可再生且可降解的天然纤维素及其衍生物、生物基聚合物和合成高分子等领域，例如甲壳素、聚乳酸(PLA)、Lyocell纤维、Viloft纤维等已逐渐用于生产非织造材料。

Lyocell纤维的中文商品名称为“天丝”或“木浆纤维”等，是将木浆溶于N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶剂体系，使木浆溶解成粘稠的纺丝液，不经化学反应，再通过干湿方法纺制而成的新一代再生纤维素纤维，具有和天然纤维相似的耐酸性、耐氧化还原性能。Lyocell纤维在自然界中可完全降解转化为CO2和H2O，从生产到彻底降解全程无污染，被称为21世纪绿色纤维。Lyocell纤维在生产过程中完好的保存了原有的木质纤维素晶体，因此，Lyocell纤维分子结构中含原纤明显，结晶度高，表现出较高强力特别是湿强力、具有良好的吸水性和透气性等优异特性，因而在非织造布、工业滤布等方面有着广泛的应用[10]。

随着科学技术的不断进步和Lyocell纤维研究的不断推进，研究者们越来越关注Lyocell纤维的功能化改性，如抗紫外改性、阻燃改性、抗菌改性等。纤维素分子具有亲水基团，适宜于微生物的繁殖和生长，而Lyocell纤维制品广泛用于生产衣物和医疗纺织品等，因此，具有抗菌性能的Lyocell纤维的开发具有重要意义和良好的应用前景。Ibrahima采用N2-等离子体对Lyocell纤维进行预改性处理，从而在纤维表面修饰生成新的-NH2活性位点，再将纳米银颗粒吸附在改性后的纤维活性位点上，制得的功能化纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抗菌活性[11]。Janjic[12]先使用高碘酸钾氧化Lyocell纤维以增加醛含量形成二醛纤维素，纤维素的醛基与壳聚糖的游离氨基反应，从而将壳聚糖接枝到纤维素上，制备出壳聚糖包衣的Lyocell纤维，实验结果表明，该种纤维能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长，且对金黄色葡萄球菌具有更强的杀菌作用。王兆明等[13]分别将两种有机小分子抗菌剂(有机胍类和季铵盐类)和两种无机抗菌剂(无机纳米粉体)加入Lyocell溶液中并纺丝，结果表明，添加了抗菌剂的几种纤维对不同的菌种如革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌等分别产生了不同程度的抗菌性，当添加2%(质量分数)的有机硅季铵盐类抑菌剂时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到100%和88%。

聚乳酸纤维(Polylactic Acid Fiber)简称PLA纤维，是一种新型的可生物降解和生物相容的绿色环保型纤维，其制备原料为玉米、小麦、甜菜等富含淀粉的农产品，先将农产品原料发酵制成乳酸，经缩合和聚合反应制成聚乳酸，再与耦合剂作用制成高分子量聚乳酸，最后经化学改性等使其纤维化得聚乳酸纤维。聚乳酸纤维经微生物作用最终可分解成CO2和H2O，燃烧时，不会产生有毒气体，不会污染环境，且原料可种植，因此，聚乳酸纤维是一种可再生、可持续发展的环境友好型绿色纤维。邢剑等[14]以聚乳酸树脂为原料，聚丙烯熔喷纺粘非织造材料为基布，通过溶液静电纺丝技术在聚丙烯非织造材料上直接进行静电纺丝接收，实验中改变纺丝电压和纺丝时间以调节静电纺纳米纤维毡的层数和纤维直径，成功制备出梯度结构复合材料，再对制备的复合过滤材料进行过滤性能测试，结果表明，实验制备的复合材料具有优异的过滤性能，对0.3 μm和0.5 μm颗粒的过滤效率最高分别达到92.29%和98.86%。

PLA熔喷驻极体织物因其优异的性能已成为非常具有吸引力的过滤材料而应用于空气过滤器。其过滤性能取决于驻极体产生的静电效应，如何改善驻极体性能进而提高其过滤效率一直是一个挑战。Zhang等[15]通过电晕充电技术形成了三种具有不同形态和晶体结构的熔喷PLA驻极体，并研究了其过滤性能，结果表明，形成驻极体后，三种熔喷样品的空气过滤效率均大大提高。肖爱菊[16]以PLA为基体，聚3-羟基丁酸酯(PHBV)为增韧材料，并添加一定量的氧化石墨烯(GO)以改善PLA和PHBV的相容性，采用微型熔喷机制备出PLA/PHBV/GO熔喷非织造材料，测试结果表明，与纯PLA熔喷材料相比，PLA/PHBV/GO熔喷非织造材料的过滤效率较大且对金黄色葡萄球菌有抑菌作用，为PLA/PHBV/GO熔喷非织造材料在医疗卫生方面的应用提供参考。蔡诚等[17]以纳米SiO2为驻极体，经表面改性与聚乳酸复合，先制备出纳米SiO2/PLA复合熔喷切片，再通过工业级熔喷生产线制备出纳米SiO2/PLA复合熔喷非织造材料，由于驻极体纳米SiO2的添加，使得PLA非织造材料的过滤机制除了布朗运动、拦截作用、惯性碰撞、沉降作用外，还大大加强了静电吸附作用，结果表明，与纯PLA相比，纳米SiO2驻极体的加入有助于PLA过滤效率的提高，过滤效率最高达到99.69%，体现出巨大的应用潜力，为未来PLA纤维的规模化生产和应用提供了依据。

静电纺纳米纤维具有吸附能力强、比表面积大、孔隙率高等优异特性，因此，对微纳米颗粒的捕获能力较强，在空气过滤领域有着广阔的应用前景，但静电纺纳米纤维的强力较低、易因颗粒物较大阻塞孔径而失效[18-19]，因此，静电纺纳米纤维难以单独用作过滤材料，通常以非织造过滤材料为基布与静电纺纳米纤维复合，从而制备高过滤性能的复合材料。Liu等[20]将少量的聚偏二氟乙烯(PVDF)掺入到醋酸纤维素(CA)中，通过静电纺丝技术，成功制备出CA/PVDF复合纳米纤维膜，为增强复合膜的机械强度，采用简单有效的溶剂蒸汽诱导的方式进行交联，实验结果表明，通过电纺丝后再进行溶剂蒸汽诱导交联制备的纳米纤维膜具有巨大的分离和过滤应用潜力。当今世界，颗粒物污染和呼吸道传染性疾病的传播已经为全球经济和公共卫生造成重大负担，研究者们竭尽全力寻求不同的路径以解决该类问题，Zhang等[21]采用电子沉积技术制备出超轻、厚度极低且机械性能优异的自组装纳米网络结构的过滤材料，对PM2.5的过滤效率高达99.61%，对PM0.3的过滤效率也能达到85.6%，可以用作刚性固体或软油PM甚至是生物危害性病原体的多功能过滤器，该项工作为设计和开发用于各种过滤和分离应用的高性能纤维材料提供了灵感，也有望于应用于个人防护和医疗设备等方面。