高性能非織造布在面部防護過濾介質上的最新應用

蘆長椿

摘要：防護面罩是個人健康防護及特殊工種作業人員安全防護的重要工具，大量高性能非織造布應用于此。本文重點介紹了熔噴非織造布、紡粘非織造布以及聚合物納米纖維的技術特征及在外科手術面罩、呼吸器過濾介質等面部防護裝備中的應用現狀，并詳細分析了現階段全球個人面部防護裝置市場的發展形勢以及我國個人防護裝備行業面臨的機遇和挑戰。

關鍵詞：面部防護裝置；過濾介質；高性能非織造布；熔噴非織造布；納米纖維

中圖分類號：TS176 文獻標志碼：A Latest Application of High-performance Nonwovens to Facial Protective Filtration Media

Abstract： Protective facemask is an important part of personal protective equipment， and lots of highperformance nonwovens have been used in this industry. Technique features of meltblown nonwovens， spunbond nonwovens and nanofiber which are used in protective facemask are introduced in this article， as well as the latest applications of the above three to surgical mask， dust respirator and other facial protective equipments. The developing trend of personal facial protective equipment at home and abroad is also discussed.

Key words： facial protective equipment； filter media； high-performance nonwovens； meltblown nonwovens； nanofiber

1 前言

依據世界衛生組織（WHO）的研究報告，目前全球每年由空氣污染造成的死亡人數在200萬以上。中國環境規劃研究院關于我國空氣污染的評估報告則稱，中國內地空氣污染面積已占國土總面積的1/4，每年由此導致的死亡人數約為35萬 ～ 50萬人。

可吸入顆粒物不僅日益惡化著公共環境，更嚴重威脅著人們的健康。因此，歐洲要求空氣中PM 10可吸入顆粒物的濃度，即直徑10 μm或更低的顆粒物，在24 h內以平均值計不得超過50 μg/m3，全年測試段要低于40 μg/m3，PM 2.5年平均值則不得超過25 μg/m3。

北美地區對空氣質量的要求也十分嚴格，24 h內PM 2.5的顆粒物要求在35 μg/m3以內，PM 10指標為50 μg/m3，年均要求PM 2.5顆粒物不超過10 μg/m3，PM10顆粒物在20 μg/m3以內。

WHO對可吸入顆粒物控制提出了建議性指標，即24 h時間段PM 2.5為25 μg/m3，PM 10指標為50 μg/m3；以年計PM 2.5不超過10 μg/m3，PM 10為20 μg/m3。

過去10年間，面對持續惡化的公共環境和不斷出現的傳染病疫情，諸如B型肝炎、艾滋病、禽流感各種變異病毒以及呈蔓延之勢的超級細菌（MRSA）帶來的危害，一些空氣過濾材料生產商如北美Foss公司等適應市場需要，開發了新一代呼吸器和外科手術面罩用的抗霉菌系列“Fosshield”過濾材料，受到了市場的普遍青睞。

目前市場上的個人面部防護裝置和外科手術面罩性能有所不同，表 1 為部分面部防護裝置和不同過濾介質的使用性能比較。大量研究表明，醫用口罩、外科手術面罩和護理口罩并不是為預防空氣中的有害顆粒物而設計的，這類口罩不能替代經過認證的呼吸防護裝置。

2 面部防護裝置使用的高性能非織造布過濾材料

2.1 熔噴非織造布在面部防護制品上的使用

熔噴非織造布作為過濾介質在面部防護制品上已廣泛使用，如美國H&V公司呼吸器選用的濾材中，N95面罩所使用熔噴非織造布過濾材料的克重包括30、40和50 g/m2等 3種，N99使用了60和70 g/m2兩種，N10則使用了90 g/m2的濾料。該公司一次性呼吸器制品中熔噴材料的利用亦十分普遍，如FFP1型產品上使用熔噴材料的克重包括30、50和130 g/ m2等 3 種，FFP2系列產品使用的克重為86 g/m2，FFP3系列使用的克重為125 g/m2的產品則采用熔噴和紡粘復合過濾介質。而在該公司可重復使用的呼吸器產品中，FFP1-3系列采用克重較高的熔噴材料，如克重為150、230和310 g/m2的產品。

近年來，功能性熔噴過濾材料的開發和應用受到了很多生產廠家的注意，如Vogmask面罩即選用聚丙烯（PP）微細旦熔噴非織造布作過濾介質的選材。

上海NYK合資工廠生產的FSC-F-99E呼吸器，過濾介質選用 4 種非織造布材料復合而成：第 1 層使用非織造布，第 2 組分為抗菌非織造布，第 3 層選用熔噴非織造布為過濾層，第 4 層為支撐層，該層在設計上具有可重復再用功能。FSC-F-99E呼吸器取得了Nelson實驗室的認證，初始氣流阻力為114.7 ～ 123.5 Pa，過濾效率可達99.882% ～ 99.928%。以下就此兩類用作面部防護的新型濾材作簡要介紹。

（1）熔噴/短纖維纖維網復合材料過濾介質

研究人員選擇了具有多孔隙結構的非制造布材料，即采用熔噴非織造布和短纖維網，通過特定的空氣網絡方法制得的多孔隙復合型材料。熔噴材料與短纖維網經空氣網絡處理后，過濾性能得到提升。短纖維組分的添加可明顯改善過濾介質的抗壓實性能，提高過濾和抗堵塞能力，而熔噴纖網中的中旦纖度組分可有效屏蔽細微粒子。表 2 為多孔隙復合過濾介質兩種纖維材料的技術特征。

該呼吸器使用的熔噴纖維網通常由兩種纖度各異的纖維組成，其中單絲直徑小于10 μm的網約占30% ～ 50%，中旦網材的單絲直徑大于10 μm。細旦和中旦兩組分網材可以采用同種或不同種聚合物。短纖網可選擇的纖維品種包括PET、PP、PA或PE，纖維的線密度為 4 D和 6 D，卷曲度10 ～ 30個/ cm，熱粘合纖維的添加比例為50/50或30/70。

多孔隙非織造布過濾材料的復合工藝是在專門的裝置上完成的。熔噴非織造布的紡絲成形采用雙螺桿擠壓機配置，以提供兩種規格或兩種不同聚合物的熔噴纖維網。兩種熔噴網復合采用空氣網絡工藝，以增強細旦與中旦纖維網間的抱合性能。在卷取前和短纖網復合亦采用空氣網絡方式，其后卷取成形。使用多孔隙非織造布復合結構過濾介質的呼吸器，過濾性能良好。

（2）功能性熔噴非織造布過濾材料

大量的研究成果顯示，對熔噴纖維網進行等離子處理，可以賦予纖維材料以持久的親水性、良好的過濾/分離性能和可滲透性。Loads技術大學的研究團隊在面部防護裝置過濾材料的研究中，選擇克重為80 g/m2、網厚度為2.12 ～ 5.82μm的PP熔噴網材進行低溫冷態等離子處理（LPCP），明顯改善了熔噴過濾介質對固體顆粒物（粉塵、煙霧等）和液態顆粒物（霧）的屏蔽性能。在檢測評定中，依據EN143/2000/ A1.2006的規定，經過等離子處理的熔噴過濾介質的防護性能級別可由P1級提高到P2級。

通過添加改性劑即添加各種靜電劑的方法，以提高駐極熔噴過濾材料對顆粒物捕集能力的研究亦表明，使用熔融指數為0.34 g/10 min的PP原料，當熔噴纖維網的克重為90 g/ m2，網的單絲直徑為740 nm時，其配置的過濾介質面罩對在0.5 μm顆粒物環境下作業的人員可提供有效的保護。

2.2 細旦紡粘非織造布過濾介質

分裂紡（Nanoval）非織造布亦被稱為最細的紡絲成網產品，利用該設備紡制的PP網材，單絲的平均直徑可以控制在 3 ～ 10 μm范圍內。Nanovia公司開發的新一代網材，即“Nanolies”的單絲直徑可達400 nm，應該說分裂紡工藝是生產亞微米-納米纖維的重要方法之一。

近年來，Nanovia公司開發了專門用于面部防護的過濾材料，其中抗菌系列面部防護過濾介質采用三組分復合結構配置，即紡粘層/抗菌分裂紡纖維網/紡粘層，屏蔽效率可達99.90%，介質的接觸角≥120°。據介紹，該產品符合歐洲EN14683標準。

另一款抗病毒系列過濾材料的組成是紡粘和熔噴的混合組分層/抗菌分裂紡納米纖維網/紡粘層，病毒屏蔽效率達99.90%。Nanovia公司的抗菌亞微米-納米級纖維過濾材料也取得了美國Nelson實驗室的品質認證。

在外科手術面罩的制作中，美國Ahlstrom（奧斯龍）公司大量選用克重為15或20 g/m2的紡粘非織造布或20 g/m2的雙組分紡粘非織造布作原料，柔軟且具有較好的強力和消費者可接受的價格。

2.3 聚合物納米纖維過濾介質在面部防護裝置上的應用

2.3.1 靜電紡納米纖維過濾材料

聚合物納米纖維具有獨特的孔隙結構和優良的透過率，因而在高端過濾和分離領域得以廣泛使用，其單絲直徑通常在100 ～ 500 nm之間。Elmark公司提供的抗菌納米纖維過濾介質，其生產線配置主要為 3 個工序，即聚合物納米纖維網成形單元、抗霉菌纖維單元和過濾介質性能最佳化處理裝置。抗菌納米纖維介質通常由 3 層纖維構成，即：外部支撐層，多使用SMS或紡粘材料；中間為添加活性物的納米纖維層，該層具有生物功能；內層則采用納米纖維網以屏蔽細微顆粒物。

Elmarco公司過濾材料生產線可生產普通納米纖維，亦可生產抗霉菌納米纖維過濾材料。NS-1600生產設備為兩單元配置，幅寬1 600 mm，生產線運轉速度為3.2 ～ 4.2 m/min，纖維網規格從0.3 ～ 0.4 g/m2，網的單絲直徑平均為200 nm，設備產能在6 440 ～ 8 450 m2/d之間（每天運轉時間20 h）。

韓國Bluefine公司提供的納米纖維濾料的面罩或呼吸器，據稱可有效屏蔽SARS病毒對人體的侵害。該過濾材料由5 層纖維網復合而成，第 1 層組分使用PP紡粘非織造布，第 2層為PET梳理型非織造布，第 3 組分選擇了納米纖維網，第 4層為活性炭纖維，第 5 層組分則使用PP紡粘非織造布。

英國Redspeare公司是世界上最早大規模生產和使用納米纖維的廠家之一，在呼吸器或外科手術面罩過濾材料的應用研究中積累了豐富的經驗，其面部防護裝置的性能評定結果顯示，對過敏原、細菌、真菌、病毒（如SARS、炭疽、H5N1、H1N1、H7N9流感病毒等）具有100%的捕集能力。該公司投放市場的呼吸器和外科手術面罩，采用多孔隙結構的過濾介質，由 3 層纖維材料構成，中間芯層為單絲平均直徑為100 nm的纖維過濾介質，孔隙尺寸0.025 μm，過濾效率可達到99.997%。24 h佩戴，壓力降32 Pa/cm2，使用安全并具有市場可接受的價格。

近年來復旦大學大氣顆粒物污染防治實驗室在對PM 2.5、PM 10可吸入顆粒物的數量、濃度與居民健康風險關系的研究中認為，PM 0.5可吸入顆粒物對人的危害其實更為嚴重。顆粒物直徑越小其對應的數量濃度和總表面積越大，亦越有可能攜附更多的有害物質進入人體。據調查，目前國內很多地區空氣中的PM 0.5顆粒物含量很高，污染空氣的可吸入顆粒物粒度分布中，直徑低于0.5 μm的粒子大約占37% ～40%，對人體健康存在著潛在的危害，因而對用于面部防護裝置的過濾材料提出了更高的要求。

西班牙Leitat技術中心的研究人員開展了新型過濾材料的研究，旨在減輕在顆粒直徑小于0.5 μm環境下工作人群可能面臨的健康威脅。該項研究選用納米級聚酰胺（PA）纖維作為屏蔽介質、克重為28 g/m2的纖維素纖維非織造布作為支撐層，在110 ℃下通過熱壓方式制得了復合結構的過濾材料。屏蔽材料使用的PA6納米纖維是在靜電紡絲裝置上制得的，紡絲液選擇的溶劑為甲酸/乙酸的混合系統，兩種溶劑的體積比為1︰1，在50 ℃條件下配制的成形液質量濃度在10% ～15%之間，黏度為110 mPa？s（10%濃度時）。使用無針靜電紡絲工藝，原液擠出量為0.5 ～ 1.0 L/h，電壓采用20 ～ 30 kV，與收集裝置的間距為10 ～ 15 cm，纖維網單絲直徑可控制在66 ～ 195 nm范圍內。從PA6納米纖維過濾材料的滲透試驗結果可以看出，介質的過濾效率可達到99%。

2.3.2 熔噴法納米纖維過濾介質

當前熔噴法工藝制備聚合物納米纖維技術已投入工業化生產，其纖維網的單絲直徑可控制在500 ～ 1 000 nm之間。熔噴法生產聚合物納米纖維生產效率高，且成本更具競爭優勢。

H&V公司立足于熔噴法工藝，開發了新型熔噴非織造布產品“Nanoweb”，將該納米纖維網用于呼吸器，其阻力可比常規熔噴產品降低30% ～ 50%，從而可改善呼吸器的氣流運行狀態，提高使用的舒適度。目前H&V公司的熔噴面部防護用過濾材料已大量投放市場，克重范圍為 5 ～ 400 g/m2，厚度可控制在0.07 ～ 13 mm之間，纖維網單絲直徑為0.7 ～8 μm，使用的原料包括PP、PET、PE、PBT、PA以及PPS等。Nanoweb網材的技術特點如表 3 所示。

此外，H&V公司還開發了“F-99E”呼吸器面罩，這是一款專門用于應對可能發生的甲型HIN1流感和禽流感疫情的產品，其過濾效率達到99.7%。該產品的過濾介質采用 4 層結構配置，即：第 1 層使用非織造布；第 2 層采用抗菌納米纖維網，可屏蔽大部分病毒；第 3 層使用熔噴法納米纖維材料；第 4 層為特制的非織造布，用以強化制品的耐用性，確保呼吸器可連續使用30次以上。

2.4 環境友好型面部防護裝置的過濾介質

Foss公司利用Agion公司的抗菌技術，成功制得了“SpectraShield-9900”系列抗菌呼吸器，該產品據稱對蔓延于歐洲與北美地區的超級細菌（MRSA）疫情具有99.99%的殺菌效率。該公司開發的呼吸器和外科手術面罩過濾介質使用的纖維材料具有100%的安全性，選用回收再利用的聚酯瓶片作原料，因而具有鮮明的環境友好特點。過濾介質的抗菌纖維層選擇使用雙組分皮芯型短纖維，皮芯層重量比為30/70。通過特別的方法將銀/銅系列抗菌制劑壓入雙組分纖維的皮層，抗菌劑添加量為0.2% ～ 6%，由于抗菌劑僅分布在纖維的皮層，因而可有效降低使用量，但同時又可確保過濾介質在重復使用過程中其抗菌效果不會降低。皮芯型雙組分抗菌纖維一般采用氣流成網方式成網，然后與熔噴非織造布過濾層進行復合。

近來，波蘭Loads技術大學開展了生物可降解過濾材料的研究，即將聚乳酸（PLA）纖維用作面部防護面罩的顆粒物屏蔽介質。過濾材料采用 3 層結構，外層主要用作屏蔽大量的氣溶膠粒子，選用PLA短纖維針刺非織造布；芯層使用駐極熔噴非織造布；內層則為紡粘非織造布，以保持面罩形狀并保證耐用性。外層針刺非織造布使用的PLA短纖維的性能指標如表 4 所示，PLA紡絲成網的工藝特征如表 5 所示。

在P L A熔噴纖維網的制備中，其原料選用了NatureWorks公司的6202型PLA樹脂，纖網克重為140 g/m2，單絲直徑<1 μm。通過氣溶膠滲透試驗、呼吸阻力試驗、面罩氣密性試驗以及過濾介質黏附顆粒物檢測，結果證明：生物可降解的PLA熔噴纖維網作為呼吸器的過濾介質達到了歐洲FFP2標準。

3 關于國內面部防護過濾材料技術發展的一點思考

個人面部防護裝置是現實的需要，具有巨大的潛在市場，從這點來說，我國個人防護裝備（PPE）行業同時面臨著無限的商機以及轉型升級的巨大壓力。

3.1 個人面部防護裝置市場具有巨大的拓展空間

據統計目前人類可接觸到的病毒不下5 000余種，且這一數據還在增長。依據WHO的統計，全球范圍內每年約有20%的人群受到過敏性鼻炎的干擾，有70萬人死于流感。生活中不經意的一個噴嚏，可產生 4 萬個直徑在0.5 ～ 12 μm之間可能致病的液滴，而醫院中97%的感染源于醫用材料（主要是醫用紡織品）。

而從我國來看，嚴重的空氣污染帶來的可吸入顆粒物正危及近 6 億國人的健康。京津冀局部地區的PM 2.5的濃度一度超過了1 000 μg/m3。不斷更新的研究報告告訴我們，在PM 2.5可吸入顆粒物分布中，PM 0.5及更小的顆粒物的危害性其實更為嚴重。表 6 為PM 2.5可吸入顆粒物的粒度分布。

近幾年，防護面罩和呼吸器市場一直呈上升態勢，隨之而來的全球醫用非織造布市場的年增長率亦持續保持在40%以上。面部防護裝置已成為公共健康和周期性作業人員進行安全防護所采用的主要方法，因而過濾材料作為面部防護的核心技術必然會受到業界的特別重視。

目前，開發高成本收益的加工工藝、提高已投放市場的防護面罩的過濾材料性能是最切實有效的做法，而纖維原材料的選擇也日益傾向于可再生資源。

聚合物亞微米-納米纖維是過濾與分離領域最具市場潛力的新材料之一，而功能性聚合物納米纖維，特別是抗菌納米纖維已在高性能面部防護裝置過濾材料上使用，在應對大氣中的生物危害以及可能突發的流行病疫情方面具有實際價值。而普通消費市場上，消費者則更偏好具有可視性好、防濕防水、可重復使用、部件可置換、高過濾效率和低成本等特點的新一代面罩。

3.2 國內個人防護裝備行業面臨著提高品質和產品系

列化的壓力

現階段，我國的個人防護裝備行業尚未真正成型，基本沿用著傳統勞動保護行業的經營理念，企業規模較小，產品技術含量較低，雖已有成百億片呼吸器或面罩的名義產能，但進口和貼牌產品仍占據著市場的不少份額，國產防護面罩行業在產品系列及發展理念上均面臨著很大的壓力。

從全球個人防護裝備的技術發展現狀來看，防護面罩和呼吸器的品種系列化特征十分明顯。如3M公司開發的一次性呼吸器，其過濾介質采用抗靜電微細纖維網，具有優良的透氣性能；而可重復使用的呼吸器系列配置各種備件，使用簡單方便且舒適，具有多用途特點，特別適宜在工業粉塵和氣體污染環境下佩戴；第三系列是專門用于粉塵和氣態物過濾的呼吸器。除上述幾個系列外，該公司還可依據突發疫情提供特別的防護面罩，如3M 8210 N96型呼吸器，即市場上所稱的H1N1型流感專用防護面罩。

在已經上市的英國Respro防護面罩的 4 個產品系列中，Sportsta系列適用于運動領域的活動人群使用，可屏蔽亞微米級的可吸入顆粒物；Benditscaf系列適用于對公共環境中煙灰粉塵以及刺激性的香氣或惡臭氣體的防護；City面罩是專為城市作業人群設計的，主要應對汽車尾氣或灰塵；而Techo系列具有對亞微米顆粒物廣譜的屏蔽功能，使用面較寬。

防護面罩的多品種系列化發展促進了跨行業、跨領域生產商的技術協作與交流。如Foss公司采用技術合作的方式，成功實現了抗菌面罩即“Fosshield”的商業化。“Fosshield”使用了Agion公司的抗菌劑，以回收聚酯瓶片原料制作的抗菌纖維由Foss公司提供，而抗菌防護面罩的設計和制作則由Nexera公司最終完成。這一案例再次印證了現階段全球聚合物及其纖維材料技術領域的全新發展理念，即“全球性的合作與交流，比以往任何時候都顯得重要”。

4 結束語

據統計，2013年淘寶網呼吸面罩和空氣凈化制品的銷售額達8.7億元，其中最貴的面罩價格達199元/個，最便宜的僅為 1 元/個（基本都為國產）。口罩是一種融品質與技術于一體的產品，雖然沒有高貴和低級之分，但客觀上來說，網上 1 元/個的面罩也反映了國內防護面罩市場的不規范和不成熟。

當前，我國非織造布行業產品品類齊全，產能、產量均居于全球前列，但市場亟需的高性能紡粘熔噴非織造布以及適用于非織造布深加工的功能性短纖維的開發還顯得不足。據了解，截至目前，國內尚沒有成熟的聚合物納米纖維批量生產技術，與此同時實驗室批量的產品應用研究則幾乎無人問津，因此還無法為國內面部防護制品提供高性能的非織造布過濾材料。總之，國內防護面罩技術與市場尚待規范，我國個人防護裝備產業的轉型升級已刻不容緩。

參考文獻

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