醫用防護口罩過濾層性能的對比與分析*

韓 旭 張寅江 楊 瑞

(1.浙江和中非織造股份有限公司，紹興，312000;2.紹興職業技術學院建筑與設計藝術學院，紹興，312000;3.東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

多年前爆發的SARS以及近年來出現的高致病性禽流感、甲型H1N1和H7N9等流感疫情多為呼吸道傳染病。呼吸道傳染病往往通過飛沫和空氣傳播，對公眾健康和社會穩定帶來嚴重的威脅［1］。對某些醫院手術用平面口罩，依據 GB19083—2010《醫用防護口罩技術要求》，在TSI8130型過濾效率儀器上進行檢測，結果顯示過濾效率在20%以下。這種口罩僅可防塵，無法幫助醫務人員對飛沫、空氣傳播的病毒進行有效防護［2］。非織造材料醫用防護口罩過濾層是經高溫熔噴產生的超細纖維制成的過濾材料，可有效阻擋飛沫和微塵，氣流阻力適宜，無菌且具有良好的耐腐蝕性。佩戴醫用防護口罩可有效阻斷病原微生物侵入人體，預防呼吸道傳染病的流行，保護人體健康安全［3-4］。

熔噴過濾層醫用防護口罩阻擋的對象是顆粒物，細菌、病毒等在空氣中并不是獨立存在的，它們需要依附在顆粒物上才能進行宿主間的交叉傳染，故醫用防護口罩可阻隔微生物傳染。醫用防護口罩過濾性能的優劣主要取決于其芯層的濾材，由于芯層復雜的纖網結構和纖維隨機三維分布，材料中含有大量微小孔空隙，微粒圍繞纖維經過各種類型的彎曲通道或路徑，大大增加了浮懸于流體中的顆粒產生碰撞而將其滯留的概率［5-6］。同時以其超細的纖維直徑、纖維三維無序結構、工藝流程短、可回收、經過駐極后較高的過濾效率、適宜的呼吸阻力等優點，已經普遍應用在醫用防護口罩上，對于防止SARS和禽流感病毒的侵襲具有優異的效果。

1 樣品制備流程和性能測試

1.1 口罩熔噴過濾層的制備

醫用防護口罩熔噴過濾層的制備流程如下：

1.2 樣品性能測試

1.2.1 過濾層厚度測試

參照標準：GB/T24218.2—2009。

測試儀器：YG141N型數字式織物厚度儀。

1.2.2 過濾層表面形態測試

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡，對熔噴布表面形態進行測試。

1.2.3 過濾層纖維直徑測試

根據纖維直徑測試標準GB/T10685—2007，采用BEION F6型纖維細度儀對熔噴纖維平均直徑進行測試。

1.2.4 過濾層透氣性測試

參照標準：GB/T5453—1997。

測試儀器：TEXTEST FX3300型透氣測試儀。

1.2.5 過濾層面密度測試

參照標準：GB/T24218.2—2009。

測試儀器：圓盤取樣機、FA2004A型電子天平。

1.2.6 過濾層過濾效率測試

參照標準：GB19083—2010《醫用防護口罩技術要求》。

測試儀器：TSI8130型過濾效率儀。

1.2.7 過濾層拉伸強度測試

參照標準：FZ/T60005—1991。

測試儀器：HD026NS型電子織物強力儀。

1.2.8 過濾層靜電勢測試

參照標準：FZ/T01042—1996《紡織材料 靜電性能靜電電壓半衰期的測定》。

測試儀器：YG401型織物感應式靜電測試儀。

測試方法：采用YG401型織物感應式靜電測試儀對非織造布的表面靜電勢進行測試。對3塊45 mm×60 mm的樣品進行電暈駐極處理，駐極電壓為10 kV，駐極時間為30 s，測試探頭與試樣間的距離為15 mm，轉盤轉速為1 500 r/min。駐極完成后立即記錄60 s內的表面電壓值，每5 s記錄1次數據。

1.2.9 過濾層孔徑測試

參照標準：FZ/T316—2003。測試儀器：PMI型孔徑測試儀。

2 醫用防護口罩過濾層過濾效率對比

表1為國產紗布口罩與熔噴過濾層進行5次測試的平均值。在流量為85 L/min的條件下測試發現，隨著紗布層數的增加，所表現出來的阻力從28.42 Pa增加到49.98 Pa。紗布層數增加，紗布中的微小孔徑由于纖維與纖維的疊加而變得細小;同時隨著紗布層數的增加，NaCl氣溶膠透過紗布的概率也逐漸變小。A、B、C分別代表10、20和30 g/m2三種不同面密度的熔噴過濾層，對三者進行過濾效率測試，發現隨著熔噴過濾層面密度的增加，阻力逐漸增大，滲透率逐漸減小。因為隨著面密度的增加，超細纖維疊加得更加密集，孔徑變得更加細小，故而滲透率逐漸下降，過濾效率逐漸增加。

表1 國產紗布口罩及過濾層的過濾效率

對紗布口罩與熔噴過濾層材料進行對比分析，在相同測試條件下，紗布層數越多，紗布口罩的呼吸阻力越大，到20層時其呼吸阻力接近熔噴過濾層材料，但這都在合理安全的范圍內，不影響人佩戴時的呼吸舒暢狀況。與呼吸阻力變化類似，隨著紗布層數的增加，紗布口罩的過濾效率逐漸增大，到20層時紗布口罩的過濾效率與單層的熔噴過濾層材料接近。

唐世君等［2］采用熔噴和駐極加工工藝生產的超微細纖維濾料所制成的“非典”防護口罩的過濾效率大于95%，氣流阻力小于343.2 Pa，能夠隔離病毒，過濾性能強，空氣阻力小，密閉性能好，可滿足抗“非典”要求。而沒有經過駐極加工的熔噴過濾層材料的過濾效率僅為30%左右，故后道靜電駐極加工對提高材料的過濾效率具有很大的影響。

3 國內外醫用防護口罩熔噴過濾層性能對比

3.1 基本物理性能對比分析

測試3種國內常用的熔噴過濾層(1#、2#、3#)及2種國外未駐極口罩過濾層(4#、5#)樣品的基本物理性能，并進行對比分析，為我們設計產品和調整工藝提供參考。5種樣品的電鏡照片和纖維直徑分布見圖1～圖5，基本物理性能見表2和表3。

圖1 1#樣品

圖2 2#樣品

圖3 3#樣品

圖4 4#樣品

圖5 5#樣品

表2 5種樣品的基本物理性能

由表2可知，透氣率隨厚度的增加而減小，因為隨著厚度的增加，超細纖維層與層疊加，孔徑縮小，導致透氣率下降。同種材料的纖維直徑差別不大，但相比2種未駐極的某國外口罩過濾層，其纖維直徑明顯比國產樣品要小，而且分布域更加集中;未駐極的某國外口罩過濾層的靜水壓明顯比國產樣品要大，而孔隙率相反要小。另外，不管縱向還是橫向，未駐極的某國外口罩過濾層的拉伸強力和伸長率都要比國產樣品大，隨著厚度的增加，拉伸強力和伸長率增加。

在拉伸強力和伸長率方面，可能是國產樣品生產時加熱溫度過低，致使出模頭高溫熔體與外界進行熱交換，快速降溫冷卻，熔體細流噴射成超細纖維時因熔融而相互黏結作用沒有那么明顯，故在拉伸時強力和伸長率相對較小。

在纖維直徑方面，未駐極的某國外口罩過濾層的纖維直徑普遍較小，且范圍集中;而國產樣品的纖維直徑與其相比略粗，直徑分布相對分散。纖維細，比表面積大，纖維與纖維間疊加黏合的概率增加，故未駐極的某國外口罩過濾層的靜水壓明顯比國產樣品大，而孔隙率要小。這說明過濾層的纖維直徑及分布是很重要的參數。因此必須提高所設計生產線產品的穩定性，使吹入模頭的熱風和抽吸風均勻，模頭整體加熱也要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細流經模頭噴射時模頭的周邊環境(溫度、濕度、壓力)要求穩定。國產的模頭相比于日本卡森公司和德國萊芬公司生產的模頭，加工精度有一定的差距。

表3 5種樣品的孔徑

由表3可知，國產樣品平均孔徑隨著厚度的增加而逐漸減小，從17.450 6 μm下降到 15.615 9 μm;國外樣品因面密度接近，平均孔徑值相差不大。從5種樣品的孔徑分布(圖1～圖5)來分析，樣品1#、2#、3#的孔徑分布離散性大，分布不集中;樣品4#、5#的孔徑分布相對集中。結合上述5種樣品的纖維直徑分布進行分析，纖維直徑小，且直徑分布均勻集中，抽吸風作用下在凝網簾上形成的過濾層纖網，纖維與纖維間疊加黏合所形成的孔徑值分布均勻，平均孔徑相對較小;而國產過濾層樣品的纖維平均直徑相對國外過濾層的纖維直徑要大，而且離散性大，纖維直徑分布不集中，電鏡下觀察粗細纖維明顯，故所形成的過濾層纖網孔徑分布也不集中，同樣的面密度，其平均孔徑相對較大。

3.2 經駐極加工后口罩過濾層性能對比

3.2.1 過濾效率和阻力變化

對兩類樣品進行相應的駐極處理，放置于密封袋中，得到一系列經駐極處理后隨時間變化的過濾效率值(表4)和相應的呼吸阻力值(圖6)。

過濾層的過濾機理主要包括慣性沉積、截留沉積、擴散沉積和靜電吸引沉積等。由表4可知，5種過濾層樣品中，經過靜電駐極的樣品與未進行靜電駐極的樣品相比，過濾效率有明顯的提高，從未駐極的20%～35%迅速上升到60%～88%，說明靜電吸引沉積對過濾效率有著重要的作用。由于時間有限，測試了駐極后放置480和960 h的過濾效率，發現與剛駐極完相比過濾效率沒有大的變化，但隨著時間的延續，總的過濾效率呈下降的趨勢。因為駐極完后，過濾層表面儲存電荷，測試的樣品都放在密封袋中，過濾層與外界接觸的環境受限，故總的過濾效率衰減得不明顯;又因為同一面過濾層中，電荷分布不勻且不都是同一類的，在過濾層存放、移動、測試的過程中，有過濾層表面電荷發生中和或者聚集等情況，存放了一段時間后過濾效率變大也是正常現象。

另外，盡管國產過濾層樣品通過同樣的駐極工藝，但過濾效率的提高沒有國外樣品大。這可從面密度角度來解釋，材料的面密度大，所形成的微孔較為致密，在同樣電荷密度下，微孔間的電場強度較大，從而駐極效果增強;也可從纖維直徑的角度來解釋，國外樣品的纖維細且分布均勻，單位面積中的纖維根數多，堆疊后形成的空隙更多更小，從而形成更多捕獲電荷的陷阱，增強駐極效果［7］。

圖6為阻力隨駐極時間的變化情況。由圖6可看出，隨著過濾層面密度的增加，阻力相應增大。過濾層面密度增加，孔徑變小，厚度增加，導致阻力增大。同時也可看出，剛駐極完的過濾層對氣溶膠的阻力，與未駐極的相比有變大也有變小，但隨著放置時間的延長，阻力均上升。剛進行靜電駐極時，過濾層表面和近表面積聚了大量的電荷，面密度不均勻，電荷密度較大的地方，同種電荷排斥作用強烈，可能導致纖維之間的移動，表面形成較大的開放型孔洞結構，導致過濾層對氣溶膠的阻力相應減小;而剛駐極完的過濾層上排列著電荷，當電荷對氣溶膠的排斥作用大于電荷自身的排斥所形成的開放型結構，導致過濾層對氣溶膠的阻力總體上升。在放置過程中，過濾層表面結構并沒有發生變化，過濾層上分布著正負兩種電荷，不能長期穩定存儲在過濾層中的電荷相互中和，導致電荷的排斥作用下降，纖維之間的移動下降，表面開放型結構變弱。同時通過若干次過濾效率測試，氣溶膠有部分沉積在過濾層表面，綜合結果導致過濾層對氣溶膠的阻力上升。

圖6 阻力隨駐極時間的變化情況

3.2.2 駐極后過濾層靜電勢隨時間的變化

圖7 樣品靜電勢隨時間的變化情況

通過電暈駐極處理，聚丙烯濾料層中含有兩種電荷：一種是空間電荷;另一種是極化電荷［8］。在放置過程中，濾料的表面結構并沒有發生變化。從圖7中看出，5種樣品隨著存放時間的延長，過濾層的靜電壓下降，但在0～10 h這段時間內下降的幅度較為明顯，然后是緩慢地下降。過濾層中存在的兩種電荷不能長期穩定存儲，聚丙烯材料有一定的導電性，并且在存儲過程中會受到外界濕度的影響，這不利于空間電荷的存儲，因此，存儲過程中空間電荷會逐漸減少。而極化電荷將一直存儲在濾料中，從嚴格意義而言，濾料的過濾效率會呈現下降的趨勢。

由圖7可看到國產樣品相比于國外樣品，通過靜電駐極后電勢較小，這是由于過濾層面密度的影響。對于1#、2#、3#樣品，隨著面密度的增加，過濾層通過靜電駐極的靜電勢逐漸上升。但由3#和5#樣品相同面密度的結果可知，面密度只是影響因素的一部分，關鍵還是在于過濾層纖維的直徑及其分布的集中程度等。因為國外樣品中纖維直徑小，分布均勻，所能負載的電荷能力強，故靜電勢高。

3.2.3 過濾效率與靜電勢的關系

未駐極過濾層的過濾效率為20%～35%，經駐極后升到60%～88%，說明靜電駐極對過濾效率具有很大的影響。靜電駐極的原理是讓過濾層在高壓作用下帶上電荷，形成一定的靜電勢。過濾層所帶電荷量越多，所形成的靜電勢能越大，其所具有的過濾效率必定高。而過濾層所能負載的電荷量與其表面狀況、面密度、表面纖維直徑等有關。另外在駐極后960 h，過濾效率有下降趨勢，但數值上與剛駐極的過濾效率變化不大;而在駐極后0～5 h這段時間內，過濾層靜電勢的下降幅度較為明顯，然后是緩慢下降。這是因為剛駐極完，過濾層上分布的電荷是不勻的，同時同一面上有可能分布不同的電荷，對剛駐極的過濾層，電荷間的中和以及電荷的消失會使過濾層靜電勢大幅度下降，但對總的正負電荷量來講變化是很小的，故過濾效率下降幅度不是很明顯。

4 結語

本文對國產熔噴過濾層材料與國外樣品進行了綜合性能測試分析，包括過濾層的厚度、表面形態、纖維直徑、面密度、透氣性、過濾效率、拉伸強度、靜電勢、孔隙率和孔徑等指標，得出過濾層的面密度、纖維直徑和分布是影響過濾效率的重要因素。

靜電駐極工藝對過濾層的過濾效率有著重要的作用，駐極后過濾層的過濾效率明顯提高，在數百小時內過濾效率沒有大的變化，但隨著時間的延長，總的過濾效率呈下降的趨勢。過濾層阻力隨著時間的變化不大。過濾層的表面靜電勢在駐極后0～10 h下降的幅度較明顯，以后為緩慢下降。

比較而言，國外過濾層樣品中纖維直徑小且相對分布均勻，過濾層表面平整光滑，同時在相同面密度時國外過濾層具有較高的過濾效率和靜電勢、孔徑小且分布均勻等優勢。對于國產過濾層的產品缺陷我們可以從生產工藝來考慮，要提高產品的穩定性，吹入模頭的熱風和抽吸風要均勻，模頭整體加熱要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細流經模頭噴射時，模頭周邊的環境(溫度、濕度、壓力)要求穩定。

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