純棉活性炭口罩結構設計及性能研究

余　巧，熊耀花，張如全

(武漢紡織大學，湖北 武漢 430073)

純棉活性炭口罩結構設計及性能研究

余巧，熊耀花，張如全

(武漢紡織大學，湖北 武漢 430073)

文章設計了一款活性炭口罩，口罩采用熔噴材料與活性炭復合作為主要過濾層。面罩的主體采用舒適性更佳的純棉水刺非織造布，并對制備的口罩的透氣性、過濾性能進行測試。

活性炭口罩；水刺非織造布；過濾性能；呼吸阻力

空氣動力學表明直徑小于5μm的顆粒物對肌體傷害較大，1～2μm顆粒物甚至易到達呼吸器官中較深部分，對肺部造成傷害，空氣中的有害氣體對人體健康危害較大，為避免細顆粒物及有害氣體對人類身體的傷害，一系列口罩應運而生。但由于相關監管措施的滯后導致了口罩質量良莠不齊，很多口罩的宣傳效果大于實效。

目前關于口罩的研究包括：過濾方式、過濾裝置結構、過濾材料三個方面。過濾方式有如下五種：簡單式、電吸附過濾式、磁偏離除去式、化學吸附法、溶液吸附過濾法。呼吸過濾裝置結構設計有如下三種：簡單口罩、設置有輔助裝置的口罩、鼻式過濾器[1]。過濾材料有如下四種：普通脫脂紗布、非織造布過濾材料、超微細纖維高效過濾布材料、納米材料。現在市面上口罩過濾方式較多采用簡單耳掛式，過濾裝置結構較多采用簡單口罩。對于過濾材料則較多使用非織造布過濾材料，近年來，人們也非常重視對過濾材料的研究。活性炭的多孔隙結構，使其有大的比表面積，進而有強吸附性，因此將活性炭成分加入口罩中作過濾材料的研究也日益普遍，主要有以下三種方式：向口罩中加入一層活性炭纖維布；對活性炭進行改性處理使之能與熔噴布粘合；將活性炭顆粒引入熔噴氣流中，使得二者進行復合。以上三種方法存在成本過高，工序復雜等缺陷。并且目前對口罩的研究重心主要在提高過濾效率上，并沒有針對口罩內層材料的舒適性等方面進行研究。為了解決上述一系列問題，本文開發了成本低、過濾性能佳、呼吸阻力低，更舒適安全的純棉水刺親膚型口罩。

1　口罩的結構設計及材料選擇

1.1口罩的結構設計

口罩設計需要考慮的主要因素有：過濾性能、密合度、穿戴舒適性。

1.1.1過濾性能

就流體中微粒的捕集而論，纖維材料過濾通常有擴散機制、直接堵截、慣性機制、重力機制、靜電機制、庫倫-范德華力引起的沉積等六大主要過濾機制的聯合作用。由于聚丙烯(PP)熔噴非織造過濾布是由單纖維直徑小于4μm的超細纖維雜亂排列而成，纖維間構成三維網狀結構，具有較大的比表面積和獨特的多向彎曲孔道，能吸附、捕獲及阻隔固體顆粒，是一種優秀的空氣過濾材料。活性炭是一種無定型的多孔粉末狀物質，由于有大比表面積和微孔結構，因此具有高吸附能力和高表面活性，能有效防止由呼吸道傳播的多種病菌[2]，去除異味，是一種獨特的吸附材料。于是將PP熔噴非織造材料與活性炭進行復合，二者形成協同作用，能達到更好的濾效。所以口罩的過濾層采用熔噴過濾布與活性炭的復合層。

為改進熔噴材料與活性炭復合工序中存在的一系列不足，口罩的過濾層使用熔噴PP層夾活性炭粉末。其中關鍵技術是如何使活性炭粉末在熔噴布中均勻分布。采用磨絨裝置對PP熔噴布進行均勻磨絨，使得毛羽間形成大量細小而接近等間距的孔隙且不破壞纖網結構，空隙易于活性炭均勻附著。達到了活性炭在熔噴材料中的均勻分布，工序簡單便利。同時，活性炭與肌膚間的PP熔噴層，有效避免了活性炭的逸出，保證了安全性。

1.1.2密合度

作為衡量口罩質量的一個重要指標，若口罩的外沿與人臉接觸處形成縫隙，此處氣流阻力將小于濾料處，據流體力學原理，氣流優先會先流向阻力小的地方，口罩將失去效用。口罩內層材料采用低面密度型非織造布，纖維層越薄，貼服性能越好，密合度也越高，并通過使用鼻夾，在邊緣使用細金屬絲進行固定，進一步加強了密合度。

1.1.3舒適度

口罩內層使用純棉水刺非織造布，不易起毛掉毛，透氣性好，柔軟舒適，并設有適當大小的空腔來提高舒適性。口罩緊貼臉部會造成空氣只流經口鼻附近濾料，減小了有效過濾面積，呼吸阻力大，引起不舒適性。口罩在鼻翼周邊加一些柔性支架，使口罩在保證密合的情況下，能在口鼻處形成一個腔體，減小了口罩的呼吸阻力，提高了舒適性。

設計的口罩結構示意圖如圖1所示。

圖1　口罩結構示意圖

1.2材料選擇

1.2.1口罩外層

口罩外層采用平方米克重為22g/m2的滌粘水刺非織造布，其中滌綸占70%，粘膠占30%。滌綸中加入一定量的粘膠纖維，大大改善滌粘水刺非織造布的親水性能[3]，滌粘水刺非織造布綜合了滌綸和粘膠的特性，有一定的強力及拒水性且不易產生靜電。

1.2.2口罩中間層

中間層為熔噴布和活性炭的復合層，其中的熔噴層采用平方米克重為18g/m2的熔噴非織造布。

從原料成本、生產成本、及聚合物特性，如相對分子質量及其分布、聚合物熔體粘度與流動特性、降解性能等各方面考慮后，選擇聚丙烯作為原材料，目的是降低能耗，提高產能。由于活性炭對氣體雜質有強大的吸附性能，將活性炭與熔噴非織造布復合，對氣體及細顆粒物均能達到過濾作用。

1.2.3口罩最內層

口罩內層采用平方米克重為18g/m2的純棉水刺非織造布。

化纖會帶來面部刺癢感，可能導致過敏，因此內層材料使用100%純棉水刺布。棉花為天然纖維，舒適性能佳，其吸濕性、透氣性、透濕性、導濕性、抗靜電性均優于化學纖維，柔軟舒適安全，避免了刺癢感，且水刺加工過程不會帶來二次污染。

2　測試儀器及條件

2.1厚度測試

測試方法根據國家標準GB3820—1999對織物的厚度進行測試。采用YG(B)141D織物厚度儀，在溫度為20℃±2℃，濕度為65%±2%的實驗條件下進行測試，數值單位為毫米(mm)。

2.2透氣性能測試

測試方法根據國家標準GB/T5453-1997對織物透氣性能進行測試。采用YG(B)461D數字式織物透氣量儀，在溫度為20℃±2℃，濕度為65%±2%的實驗條件下進行測試。儀器使用4號噴嘴(噴嘴直徑為4mm)，在壓差為100Pa條件下，測定垂直通過面積為20cm2織物的透氣率，數值單位為R(mm/s)。

2.3過濾性能測試

測試方法根據國家標準GB19082-2009對織物的過濾性能進行測試。采用LZC-H型濾料綜合性能測試儀，在濕度為65%±2%，溫度為30℃，流量為32L/min的實驗條件下，使用NaCl做為測試介質，測試面積為100cm2的濾材的過濾性能。

3　實驗結果與分析

3.1厚度

表1　活性炭口罩各層厚度　單位：(mm)

厚度差為熔噴布的磨絨與活性炭的復合層的厚度。從表1可以看出，口罩整體的厚度均勻性較穩定，厚度差數值穩定，可推斷出磨絨熔噴布絨毛起伏均勻，空隙中活性炭分布均勻，活性炭在熔噴布中實現了均勻分布。

3.2透氣性

醫用一次性口罩的企業標準是，在實驗壓差為100Pa時，透氣率大于200mm/s。從表2可以看出，此口罩的透氣性測試結果穩定，均達到且超過要求，因此口罩在攜帶過程會較舒適，無滯悶感。

表2活性炭口罩透氣性能

單位：(mm/s)

3.3過濾性能

測試得出口罩的過濾阻力為43Pa，過濾阻力較小。

從圖2可以看出該口罩對于直徑≥0.3μm的細顆粒物的濾效達到了98%，證明該口罩的過濾性能好。

圖2　活性炭口罩過濾性能

4　結論

該活性炭口罩的過濾性能及透氣性能均極佳，既能阻滯顆粒物，也能吸附有害氣體。其應用領域包括醫用防護及日常防護領域，保證了醫護人員與普通群眾的安全。另外，由于口罩內層采用了純棉布，無刺癢感，特別適合老人，小孩，呼吸道疾病患者及敏感膚質群使用。

[1]童曉晨，李春生，王兢，等.細顆粒物(PM2.5)過濾口罩專利技術綜述[J].廣東化工，2014,41(8)：87—88．

[2]周長年,郝新敏,廖青，等.活性炭和活性炭纖維在防護口罩中的應用[J].中國個體防護裝備,2005,(6):17—19.

[3]陳加亮.滌綸/粘膠/高親水性滌綸水刺非織造布性能分析[J].科技前沿,2011,(4):80—82.

[4]楊成麗，林旭，劉壯，等.醫用口罩阻燃性能測試儀的研制[J].山東紡織科技，2007，48(5)：30—32.

StructureDesignandPerformanceofPureCottonandActivatedCarbonMask

Yu Qiao,Xiong Yaohua,Zhang Ruquan

(WuhanTextileUniversity,Wuhan430200,China)

Anewactivatedcarbonmaskwasdesigned,whichthemainfilteringpartwasthecompoundofthemeltblownnonwovenandactivatedcarbon,toimprovethefilterefficiencyandcomfortability.Purecottonspunlacenonwovenwasusedtoimprovethecomfortofthemask.Thentheairpermeabilityandfiltrationefficiencyofthemaskweretested.

activatedcarbonmask;spunlacenonwoven;filtrationefficiency；respiratoryresistance

2015-01-06

武漢紡織大學大學生創新訓練計劃項目(2014)

余巧(1993-)，女，湖北荊州人，學士。

TS101

A

1009-3028(2015)02-0012-03