聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩過濾材料的可行性研究

朱懷球 葉翔宇 劉芙蓉

摘 要：針對口罩生產關鍵材料熔噴非織造過濾材料（俗稱“熔噴布”）供不應求的局面，探討聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩過濾材料的可行性。測試了不同過濾材料制成的口罩樣品，對比了過濾性能和壓差指標，對聚四氟乙烯覆膜過濾材料用于口罩生產的可行性以及口罩的重復使用性能進行了測試評估。結果表明：聚四氟乙烯覆膜過濾材料可代替熔噴無紡布生產防護口罩，口罩重復使用3次，顆粒物過濾效果下降15%以內，是應急時期防護口罩過濾材料的可替代材料。

關鍵詞：口罩;過濾材料;熔噴布;聚四氟乙烯;防護紡織品

Abstract：As a critical material for mask production， meltblown nonwoven filter material （namely meltblown fabric） is in short supply. For such situation， the feasibility of using polytetrafluoroethylene （PTFE） as a master filter material was explored. Mask samples produced by different filter materials were tested， and the filtering performance and differential pressure indicators were compared. Meanwhile， the feasibility of using PTFE-coated membrane filter materials for mask production and the reusability of masks were tested and evaluated. It was found that PTFE-coated membrane filter materials could replace melt-blown nonwoven fabrics to produce protective masks. After the mask was reused for 3 times， the particulate filtering efficiency declined by less than 15%. Hence， it is an alternative material for the protective mask filter material during emergency.

Key words：mask; filter material; meltblown; polytetrafluoroethylene; protective textiles

口罩是最重要的疫情防控資源之一，國家衛健委發布的《新型冠狀病毒感染不同風險人群防護指南》和《預防新型冠狀病毒感染的肺炎口罩使用指南》，指出口罩是預防呼吸道傳染病的重要防線，可以降低新型冠狀病毒感染風險。口罩不僅可以阻擋病人噴射飛沫，降低飛沫量和噴射速度，還可以阻擋含病毒的飛沫核，防止佩戴者吸入。因此，口罩也成了老百姓最關注的產品之一。

口罩的過濾性能由其結構、組成和所帶電荷共同決定。目前原材料主要有聚酯（PET、PBT）、聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯腈（PAN）、氨綸（PU）、聚丙烯（PP）等[1]。其中，聚丙烯熔噴非織造織物價格低廉，物化性能穩定，孔隙率高，可做成駐極體，透氣性能與過濾效率高，且環保無毒[2]，使用最為廣泛。面對目前口罩需求井噴，以聚丙烯為主要原料的熔噴布供不應求。而聚四氟乙烯纖維非織造布具有很高的過濾效率和較低的過濾阻力[3]，本研究基于此對聚四氟乙烯覆膜材料替代“熔噴布”進行可行性分析。

1 口罩過濾材料

口罩過濾機理非常復雜，根據其截留途徑及相互作用方式，可分為以下幾種：重力沉降、攔截、慣性碰撞、擴散、靜電吸附等作用;對亞微米顆粒物，主要靠擴散和靜電作用[4-7]。目前市面上有望用于口罩生產的過濾材料主要包括駐極聚丙烯熔噴非織造布、針刺靜電棉、覆膜過濾材料等三類。

1.1 駐極聚丙烯熔噴非織造布

以高熔指聚丙烯為主要原料，采用熔噴成網方法，并經駐極處理如電暈放電工藝等生產制造的非織造布，主要通過靜電吸附作用過濾顆粒物。熔噴布材料存在的問題是，隨著放置時間的延長，特別是在高濕度/高溫環境中或者經過標準規定的預處理步驟之后，會發生靜電衰減，導致過濾效率下降。有質量不穩定的熔噴布，靜電維持時間不超過1個月，過濾效率從初始的90%以上下降到不到40%，導致口罩不合格。該材料作為綜合性價比最高的材料，一直應用于口罩生產。但浙江省內熔噴布供需緊張，價格從2019年底不到3萬元/t迅速上漲到了2020年3月初的30萬元/t以上。

1.2 針刺靜電棉

以兩種及以上不同摩擦帶電性能的短纖為主要原料，采用針刺成網方法生產制造的非織造布，主要通過靜電吸附作用過濾顆粒物。該材料多用于空氣凈化的粗濾過程，過濾效率較好、壓差低，容塵量高。針刺靜電棉材料在生產過程中與做成口罩成品后，存有短纖脫落或鉆出的風險。本研究不對該材料進行論證。

1.3 超高效空氣凈化聚四氟乙烯覆膜過濾材料

超高效空氣凈化聚四氟乙烯覆膜材料具有過濾效率高、阻力大的特點，通過原料改性、工藝調整等，可加工不同孔徑、不同微孔形狀、不同孔隙率的薄膜。薄膜材料形貌在微米級尺度上，細纖維（大量，纖維直徑幾十個納米）和粗纖維（少量，纖維直徑微米級）混雜（熔噴布纖維直徑多在1～8 μm），厚度控制在幾十微米以內，這樣可使其過濾效率從99%降低到90%，同時壓差可與駐極聚丙烯熔噴非織造布相當。聚四氟乙烯雙向拉伸微孔薄膜以PTFE樹脂為原料，經混料、擠壓、擠出、壓延、雙向拉伸等特殊工藝制成;該膜的強度很低，需要復合到各種支撐材料上，目前基材使用較多的是聚丙烯紡黏無紡布、聚丙烯/聚乙烯熱風無紡布。PTFE復合技術要求很高，一般分為高溫熱壓復合和膠復合兩種。覆膜材料過濾性能主要由聚四氟乙烯雙向拉伸膜的性能決定。

典型的聚四氟乙烯雙向拉伸薄膜微孔結構如圖1所示[8]，聚四氟乙烯覆膜材料是表層過濾行為，過濾機理是機械篩分過濾，相較駐極聚丙烯熔噴非織造布材料的深層過濾行為，使用過程中需注意呼吸阻力上升情況。聚四氟乙烯覆膜材料的顆粒物過濾，不存在靜電吸附行為而且聚四氟乙烯材質穩定，在儲存過程中或經過標準規定的預處理步驟之后，覆膜材料過濾效率不會衰減。在工業除塵領域，由于聚四氟乙烯材料具有極低的表面張力，潤滑性高，同時顆粒物沉積在濾料表面形成濾餅，易于清洗操作，多通過高壓脈沖反吹過程使濾料再生，使用壽命一般可在3年以上。此外聚四氟乙烯材料和聚丙烯材料均可耐受100 ℃以上高溫。

目前桐鄉市健民過濾材料有限公司、湖州禾海材料科技有限公司和湖州森諾氟材料科技有限公司等3家企業的送檢樣品均已評估通過，具體過濾性能指標如表1。

本研究對聚四氟乙烯覆膜過濾材料的安全性、聚四氟乙烯覆膜口罩的性能以及經高溫熱水浸泡后重復使用性能進行了測試。

2 實 驗

2.1 原材料

桐鄉市健民過濾材料有限公司提供的平方米質量為30 g/m2和50 g/m2的2種覆膜材料，可類似熔噴非織造布進行分切成卷。基材為熱風非織造布，通過高溫熱壓復合。實物圖如圖2所示。

2.2 口罩打樣

由桐鄉市健民過濾材料有限公司委托桐鄉市崇福利民衛生用品廠打樣。選用常用的平方米質量為25 g/m2的紡黏無紡布作為上下層，中間層的過濾材料采用上述平方米質量為30 g/m2和50 g/m2的2種覆膜材料，采用平面口罩機和耳帶焊接機，制成口罩尺寸為9.5 cm×17.5 cm的耳帶式平面口罩，用于試驗一（口罩性能的驗證）。

2.3 萬事利集團縫紉機打樣

按照《浙江省日常用防護口罩生產工藝指導書（暫行）》規定的工藝生產，選用常用的平方米質量為25 g/m2的紡黏無紡布作為上下層，中間層的過濾材料采用上述兩種覆膜材料。制作成平面型一次性民用防護口罩，用于試驗一（口罩性能的驗證）和試驗二（口罩重復使用性能驗證）。

2.4 模擬家庭情況清洗消毒

將口罩樣品放在合適的容器中，然后倒入剛剛燒開的開水，浸泡30 min后取出自然懸掛晾干;更換熱水，模擬多次清洗消毒過程。

2.5 測試方法

依據《浙江省緊急防護民用口罩生產指南（暫行）》、GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規范》和GB 31701—2015《嬰幼兒及兒童紡織產品安全技術規范》標準進行，以每批次最低過濾效率和防護效果數值為實測值。

3 結果與分析

3.1 材料安全性

企業提供了原材料和覆膜材料符合歐盟Rohs指令的檢測報告。依據紡織產品強制性國家標準GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規范》和GB 31701—2015《嬰幼兒及兒童紡織產品安全技術規范》要求，測試了甲醛含量、pH值、禁用偶氮染料和鄰苯二甲酸酯等項目，發現甲醛、禁用偶氮染料和鄰苯二甲酸酯等未檢出，pH值為6.4，符合紡織品嬰幼兒級別安全技術要求。

3.2 口罩性能

熔噴非織造濾材作為防護口罩的核心過濾層，具有纖維細度較細、比表面積大、孔隙率高等特點。熔噴非織造濾材經駐極處理后，會產生靜電效應，對顆粒物進行攔截，實現較高的過濾效率。根據現行防護口罩的標準要求，口罩的顆粒物過濾效率至少在90%以上。

2批次手工縫制口罩，經測試均符合標準要求，具體數值見表2。

自動化口罩機生產的口罩，同樣符合防護口罩的過濾效率要求（過濾效率90.6%）。聚四氟乙烯覆膜過濾材料可滿足口罩用縫紉機和全自動口罩機生產的要求，和采用熔噴布過濾材料生產的口罩相比，聚四氟乙烯覆膜過濾材料沒有特殊工藝要求。

3.3 口罩重復使用性能

試驗發現，開水倒入后能馬上浸透口罩樣品，樣品取出后外觀無明顯變化。樣品吸附較多水分（基材吸附），可用手擠出。自然懸掛過夜后，樣品晾干，干燥后外觀無明顯變化。

從測試結果來看，其可以保持較好的過濾性能。推測過濾效率稍有下降的原因是，水分干燥過程中，聚四氟乙烯薄膜孔結構發生了輕微變化（用手擠壓水分，因水分揮發的表面張力，與基材、黏結材料不同的收縮等）。

開水浸泡次數對過濾效率結果影響不明顯，說明可以多次重復使用。

作為疫情期間熔噴布供應不足的特殊時期，聚四氟乙烯覆膜材料是一種很好的替代材料，能夠實現過濾病毒的防護效果。基于該研究成果，2020年3月2日，浙江省疫情防控醫療物資〔2020〕52號《關于印發《浙江省日常用防護口罩過濾材料指南（暫行》的通知》，將聚四氟乙烯覆膜過濾材料納入指南。聚四氟乙烯覆膜過濾材料符合國家紡織產品安全技術規范要求，技術指標設置為過濾效率90%，壓差150 Pa，可供應急時期民用防護口罩使用。2020年3月3日，浙江省經信廳主持召開首場新型可循環使用的防疫口罩材料推薦發布會，介紹了浙江朝暉過濾技術股份有限公司研發的防疫口罩材料——納米級覆膜材料，可優化替代口罩生產關鍵材料“熔噴布”，緩解當前口罩生產材料短缺的困境。通過簡單高溫熱水消毒后，該材料可以反復使用。其高效、易清潔的性能，優于同等級別的熔噴布。

4 結 語

聚四氟乙烯覆膜材料可以作為防護口罩濾材使用，其具有過濾效率高且基本不會發生衰減、可洗滌后重復使用等優勢，采用該材料制備的口罩可以保障過濾效率底限，但存有因鹽性顆粒物沉積導致過濾阻力迅速增加的風險[9]，不宜給有呼吸系統疾病的消費者、老年人、兒童以及孕婦使用。建議口罩企業采用聚四氟乙烯覆膜材料和駐極聚丙烯熔噴非織造布組合的過濾材料結構，來實現高過濾效率、低初始阻力和緩慢的阻力上升速率，特別是考慮到醫院特殊的使用環境（高酒精濃度、消毒劑濃度）和醫護人員呼吸暖濕潮氣會加速駐極熔噴布材料的靜電衰減，兩者組合的過濾材料結構非常適合用作GB19083—2010醫用防護口罩生產。

參考文獻：

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