醫用防護面料性能要求及制備技術

謝宛姿， 佑曉露， 傅佳佳， 高衛東， 王鴻博

(江南大學 紡織科學與工程學院，江蘇 無錫 214122)

隨著現代工業的高速發展，人類對自然的破壞加劇，污染日益嚴重，導致各種病菌的繁衍和傳播。在全球范圍內，已經出現的極具危險性傳染疾病包括乙肝、艾滋病等，它們能夠通過體液、血液途徑進行快速傳播。2019年底，國內出現了新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)，這種病毒可通過飛沫、接觸以及氣溶膠進行快速傳播[1]，導致經常與病患直接或間接接觸的醫護人員存在很大感染風險。因此，利用各種醫用防護材料來保障醫護人員的身體健康極其重要。

醫用防護材料的作用是產生病菌阻隔層，以防止病菌泳移，減少交叉感染[2]。隨著現代醫學的進步，人們對防護面料防護性能的要求越來越高，國內外專家也通過制定相關標準對醫用防護材料的舒適性以及其他各種性能給予具體的規定；同時，各種防病菌醫學防護材料(如阻隔織物、層壓織物和涂層織物等)的研究獲得了巨大發展[3]，并不斷向更專業化的方向突破。

1 醫用防護面料性能要求

為保障醫患雙方的安全，需嚴格把關醫用防護材料的安全性，確保其具有優良的防護性能。防護性主要包括防液體滲透、阻隔微生物、阻隔顆粒物質3部分。此外，醫用防護面料必須具備一定的力學性能；為了滿足醫護人員長時間的穿戴要求，近代醫學對醫用防護面料的舒適性能也提出了要求[4]。

中國于2009年5月發布GB19082—2009《醫用一次性防護服技術要求》[5]，針對醫用一次性防護服的性能、測試條件、測試方法提出具體的要求。例如，對其抗滲水性、抗合成血液穿透性、表面抗濕性以及對非油性顆粒的過濾效率等防護性能指標提出了要求；通過透濕量對其舒適性進行評價；通過斷裂強力和斷裂伸長率對其力學性能進行規定；通過帶電量對其抗靜電性能進行評估。

1.1 防護性能

防護性是醫用防護面料最重要的性能。由于醫護人員經常接觸攜帶病菌的血液、體液和分泌物等，長期處于病菌活躍的環境中，所以防護面料必須具有防液體(如水、酒精和血液)滲透以及阻隔灰塵、氣溶膠(如病菌)等顆粒物質的性能，以預防交叉感染，保障醫護人員的身體健康。

1.2 舒適性能

面料舒適性包括熱濕舒適性和接觸舒適性。面料舒適性與纖維性能、織造技術以及后整理工藝等息息相關，主要表現為面料質量、透氣透濕性、親膚柔軟性等，其中透氣透濕性是評價舒適性最重要的指標之一。在長期穿著過程中，具有良好透氣透濕性的防護服能夠在短時間內將皮膚表面產生的濕氣和熱量快速吸收，并通過纖維迅速傳遞至織物外表面，以保持皮膚表面和服裝內側微環境的干燥，以此保障醫護人員的身體健康，提高工作效率。而防護服的阻隔性能不允許面料具有很好的透氣透濕性，如何平衡防護性與舒適性是醫用防護面料的一個重要研究方向。SMS(紡黏-熔噴-紡黏)復合非織造材料在醫療防護衛生用品中應用廣泛，由于其兼具紡黏和熔噴非織造布的優點，因而除了擁有熔噴層的良好阻隔性，還兼具紡黏層的透氣透濕性[6]。

1.3 物理機械性能

雖然如今大多數醫用防護服是一次性產品，但也必須具有一定的物理機械性能。如果防護服的抗磨損性、抗撕裂性能較差，在穿戴過程中受到外力拉扯后破裂、磨損脫絮，防護服就會成為病菌傳播的通道，從而增加醫護人員感染幾率，使防護效果大打折扣。因此醫用防護面料對斷裂強力、斷裂伸長率、撕破強力、耐磨強力等基本物理機械性能的要求較高。

1.4 其他性能

不產塵、不吸塵、不脫絮、防靜電均是醫用防護面料應該具備的性能。靜電會導致紡織品吸塵，而醫用防護服在使用過程中由于摩擦會產生靜電，所以其必須具備一定的抗靜電性能。

2 醫用防護面料的纖維材料選擇

根據醫用防護面料的使用期限，可將其分為重復使用型和即棄型。重復使用型醫用防護面料包括傳統機織物、高密織物、涂層織物和層壓織物等，主要用于醫用日常工作服和手術服。即棄型醫用防護面料主要以非織造布為主，與傳統機織棉織物相比，非織造布具有柔軟光滑、過濾性能極佳、不易產生塵埃顆粒等優點，因此，非織造布被廣泛應用于醫用防護領域[6]。

2.1 傳統纖維材料

棉織物具有手感柔軟、光澤柔和等優點，滌棉混紡織物具有手感挺滑、耐洗、快干等優點，由它們制成的防護面料接近日常服用面料，具有良好的透濕透氣性能，穿著較為舒適，因此是目前日常醫用工作服的主要面料[7]。此類醫用防護面料在干燥情況下對病菌具有一定的防御能力，但在濕態條件下易受到病菌的入侵，且普通棉纖維制成的織物抗起毛起球性較差，不適用于無菌無塵的手術室，因此，日常醫用手術服主要由高支棉紗、長絲、改性聚酯纖維等材料[8]加工而成。由以上材料制成的防護面料雖然穿著較為舒適、方便，透濕透氣性能較好，但對病菌的屏障阻隔性能較差。

2.2 功能纖維材料

對血液、體液、病菌等進行有效阻隔是醫用防護面料應滿足的性能要求之一，目前已有多種高分子材料用于醫用防護面料的制備。采用高分子材料(如聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)等)對普通防護面料進行一定整理加工、涂層和覆膜等操作，能夠增加防護面料的防滲透性，增強面料抵御病菌的能力。

2.2.1PU/熱塑性聚氨酯(TPU) 作為高分子化合物，PU和TPU具有較好的彈性和生理適應性，被廣泛應用于醫療領域。在醫用防護面料上多用PU對織物進行涂層加工，用涂層劑封閉織物表面，從而起到防滲透作用[9]。此外，聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、有機硅橡膠等材料也可用于織物涂層的整理，以提升織物的防護性能。TPU或TPU與PP共混應用于熔噴非織造布，可解決醫療防護用品柔性差的問題[10]。

2.2.2PP纖維材料 與傳統棉纖維相比，PP價格更為低廉，高溶脂PP纖維材料經處理后可獲得一定的抗菌、抗靜電等性能，通常用于制作一次性手術衣[11]。但這種材料的抗靜水壓能力比較差，而且對病菌的阻隔效果也不佳，因此只能用作無菌外科手術衣。SMS復合防護材料大部分以PP為原料[12]，但必須經過后整理工序，以降低其表面張力，獲取更佳的液體阻隔性能[13]。

2.2.3聚四氟乙烯(PTFE)材料 半滲透型材料可制成致密無孔、超微孔或微孔膜，通過涂層或覆膜加工的方法能夠制成高性能防護面料。PTFE復合膜是半滲透型防護材料的典型代表。PTFE微孔膜表面為蜘蛛網狀的微孔結構，膜的正反面尺寸有差異，微孔孔徑介于水蒸氣和水滴直徑之間，可在防止血液和其他體液滲透的同時使水蒸氣分子通過，具有一定的透氣性，是目前企業生產醫用防護面料時較為常用的復合膜材料[14]。

2.2.4可生物降解材料 為了有效阻隔病菌，目前使用的醫用防護面料大多是即棄型非織造材料。即棄型醫用防護用品在使用一次后需立即銷毀，因此，一次性醫用防護廢棄物品的處理問題應引起重視。纖維素纖維(黏膠和醋酸纖維)、聚酯纖維(聚乳酸(PLA)和聚羥基乙酸(PGA)纖維)等材料具有良好的生物降解性和生物相容性，經過堆肥掩埋處理后可完全分解為二氧化碳和水，對環境也沒有任何污染，可用于手術衣、手術覆蓋布等醫用防護面料的生產[12，15]。

2.2.5功能性抗菌材料 隨著對醫用防護材料的深入研究，越來越多草本提取物和新型功能性材料用于紡織生產中。例如，莽草酸接枝固定在PLA非織造布上，能提高防護面料的抗菌性能[16]；黨參提取物微粉水溶液與黏膠紡絲液結合，紡織成絲，能使改性后的黏膠纖維具有抗菌性[17]；以具有抗菌抑菌性能的氧化石墨烯為接枝單體，用PP非織造布接枝氧化石墨烯，可改善PP非織造布的抗菌和抗靜電性能[18]；采用銀/還原氧化石墨烯負載PP為材料，經熔噴紡絲，可制成具有抗菌和抗靜電性能的防護面料[19]。

雖然可生物降解材料和功能性抗菌材料的加入使醫用非織造布增加了可生物降解、抗菌等優良性能，但考慮到企業加工成本及批量化生產問題，棉織物、滌棉混紡織物、PP紡黏布、PU及PTFE涂層(覆膜)等材料仍是現在醫用非織造布的首選。

3 醫用防護面料制備技術

19世紀，為了防止醫務人員在工作時被病菌感染，科研人員開始研發醫用手術服，并得到廣泛應用。當時醫用手術服的制備技術只是傳統的機織物加工法，手術服材料也是一種稀薄的機織棉布。二戰中美軍采用高密機織物加工法制備醫用防護服，在1952年被BECK W C指出并不能完全抵抗病菌的入侵[20]。20世紀80年代以后，各種病毒不斷對人類構成威脅，各國開始研發醫用防護面料，探討其加工制備技術。目前，醫用防護面料加工制備技術可分為機織類防護面料加工制備技術和非織造布類防護面料加工制備技術，具體如圖1所示。

3.1 機織類防護面料加工制備技術

機織類防護面料加工制備技術是以機織物為主的加工體系，并在此體系下兼顧不同的加工方法，包括傳統加工法、高密加工法、涂層加工法和層壓加工法。其中，傳統加工法是采用棉纖維或者滌綸等合成纖維與棉的混紡紗相互交叉形成傳統機織物的制備技術，制成的醫用防護面料具有良好的舒適性，可應用于日常工作服和手術服。高密加工法是采用高支棉紗或其他超細合成纖維長絲織成高密度機織物的制備技術，醫用防護高密織物的后整理則采用碳氟化合物、有機硅等防水劑的防液體透濕技術。由于高密織物特點為經緯密度大、總經根數多、組織交織點多及布面密實等，其制備技術存在一定的技術難點，如織造過程中出現開口不清、起毛、斷紗等現象[21-22]，需要進一步攻克。涂層加工法是在機織物表面涂覆涂層劑，以防止水分滲透，但存在的主要問題是透濕性差，導致醫護人員的穿著舒適性降低[23-24]。層壓加工法是將一層特殊薄膜通過層壓復合工藝與織物黏合在一起，又可分為干法、濕法和干濕法[25]。

3.2 非織造布類防護面料加工制備技術

非織造醫用防護面料的發展可追溯到20世紀90年代，歐美發達國家最先擁有的水刺非織造先進技術是通過“三抗”(抗酒精、抗血、抗油)、抗靜電、抗菌等處理及γ射線消毒的技術，但由于其抗靜水壓低而逐漸被紡黏法非織造技術取代，使得工藝流程和生產成本縮減，生產效率大大提高。“非典”時期，閃蒸非織造布防護面料和復合非織造布防護面料使用廣泛。目前，非織造布類防護面料的主要制備方法有紡黏法、熔噴法、水刺法、閃蒸法和復合法等，其主要制備技術如圖2[12]所示。

3.2.1紡黏法非織造技術 紡黏法是一種由聚合物切片原料直接熔融紡絲，冷卻拉伸成網的制備技術，其基本工藝流程如圖3所示。紡黏法工藝具有高速高產的特點，制成面料中的纖維呈長絲狀，所以面料具有優異的抗拉伸強度，但其防滲透性能和手感舒適性較差。通常紡黏法使用最廣泛的是寬狹縫負壓牽伸系統工藝，并用海島型、皮芯型和桔瓣型雙組分纖維及多組分纖維進行面料制備，增加面料的柔軟性，使其具有良好的手感[11]。

3.2.2熔噴法非織造布技術 熔噴法基本工藝流程如圖4所示。熔噴法因其制備流程短、生產成本低而快速發展，其制備的非織造布具有纖維極細、比表面積大、孔隙率高等優點，這使其具有很好的阻隔性能，但是牽伸工藝流程短，導致其纖維的強力低。為了提高熔噴非織造布的性能，涌現出各種熔噴非織造布新技術，如駐極熔噴技術、雙組分熔噴技術以及插層熔噴技術等[26]。

與傳統熔噴技術不同，經過駐極體處理的熔噴纖維網能夠有效增強非織造布對空氣中有害物質的阻隔，這主要是因為駐極體的加入使非織造布除了自身基礎過濾外，還附加了靜電效應，從而對空氣中灰塵等細小顆粒的吸附效率進一步提高[27]。由于熔噴非織造布具有高效、低阻的過濾性能，可用于醫療防護(如防護口罩)、電子器械、防霧霾窗紗等過濾材料領域。

3.2.3SMS復合非織造技術 由于熔噴非織造布具有較好的阻隔性能，而紡黏非織造布具有較高的強力，將兩種工藝技術相結合，制備得到優勢互補的SMS復合非織造布。SMS復合非織造布是由3層非織造布復合而成，上下兩層為具有高強力的紡黏非織造布，中間層為具有高阻隔性的熔噴布。熔噴布是一層致密的超細纖維層，纖維間的空隙非常小，對空氣中的顆粒物質和微生物具有很好的阻隔性能。SMS材料在中間層具有優良阻隔性、過濾性的同時，紡黏外層又具有高強力和良好舒適性，因此在醫護紡織材料上有廣泛的應用(如防護服、隔離衣、消毒包布等)[28]。

普通的SMS非織造布對血液、水和酒精沒有完全的防滲透功能。為了達到醫用防護材料的性能要求，使SMS非織造材料具有更廣泛的應用，可以通過各種后處理工藝對SMS材料進行防菌[29]、抗靜電[30]、拒液性[31]等功能化處理。

3.2.4其他非織造技術 水刺法是采用極細的高壓水流對纖網進行反復穿刺，使纖維相互纏結，并固結成布的技術。水刺法基本工藝流程如圖5所示。水刺法制得的面料具有良好的柔軟性、懸垂性及吸濕透氣性。纖維取向和水針工藝是影響面料性能的重要工藝參數，與平行于機器方向排列相比，纖維取向垂直于機器方向排列具有更優異的力學性能。多刺頭和小水針距能使纖網中的纖維分布更加均勻，力學性能更佳[32]。在該制備工藝中，利用水刺加固技術代替紡黏法的化學試劑固網技術，能使產品更加綠色、安全、衛生[33]。

閃蒸法是將溶解在溶劑中的高聚物通過噴絲孔噴出，液態絲條在高速運動中固化，再經牽伸形成超細纖維，然后靠靜電裝置使纖維凝聚成網，最后經熱軋加固而成的制備技術。閃蒸法基本工藝流程如圖6所示。制備工藝中若選用烷類紡絲溶劑和較高的紡絲溫度，能夠提高面料的透氣性和舒適性[34]，但目前閃蒸法因技術難度較高，導致生產成本增加。

4 結語

隨著科技的發展與社會的進步，人類物質生活水平得到提高，然而由于人口增長，人類經濟活動增加，導致生活環境逐步惡化，各類傳染疾病不斷侵蝕人類的身體，因此對醫用防護用品的需求和性能要求在逐步提高。制備防護、舒適、抗靜電等功能于一體的一次性綠色環保醫用防護面料是未來的研究重點。目前，國內外主要對PTFE、聚乙烯等高聚物的涂層、覆膜和復合技術進行研究，可在增加醫用防護面料防護性能的同時提升舒適透氣性，但其作為一次性用品價格昂貴。

因此，在材料方面應選擇價格低廉、可生物降解且防水透氣的高分子材料；在制備工藝方面應選擇趨于專業化和多功能化的復合加工方法。這對紡織材料及制備技術提出了新的、更專業的要求，加強學科交叉從而制備更具人性化的醫用防護面料是紡織行業進一步的追求目標和前進方向。