談談口罩濾材及口罩的選擇

薛亞莉

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 213000）

空氣污染對人類健康的威脅日益加重，口罩是抵御空氣污染的主要武器之一。在不同使用環境中，需要選擇不同過濾性能的口罩。通過分析各過濾材質及其相應的專利申請來顯示各過濾材質所對應口罩的特點，進而對口罩的選用提出一些建議。

1 機械阻擋型

機械阻擋類口罩通過機械阻擋將較大的顆粒物隔離在外，對小顆粒物阻隔效果差，主要有紗布口罩和濾塵紙口罩兩種類型。此類口罩可以防風沙，棉紗布口罩還可以防寒保暖，但幾乎沒有防塵、防菌效果，在流行病高發期和霧霾天，幾乎起不到防護作用。濾塵紙口罩與紗布口罩相比，優勢在于便于塑形。

1946年，英國申請GB 614668A公開了一種利用兩層紗布形成的技術方案。2014年，我國申請CN 204292258U也公開了一種紗布口罩，可實現良好的遮擋效果。

2008年的韓國PCT申請WO 2010024527 A2公開了一種利用濾塵紙作為過濾介質的口罩，適用于某些弱污染工業生產環境。該申請將口罩本體材質設置為4個過濾面板來增加灰塵過濾面積，利用濾塵紙較強的塑形能力使口罩的密合性相較于紗布口罩有了很大的提高。

2 多孔吸附型

活性碳是20世紀70年代開發出的新型功能性吸附材料，它采用有機纖維為原料，經碳化、活化后制成，具有多孔結構、吸附能力強的特點。常規的活性碳濾料可用于防酸性及有機異味氣體，但不能防塵及凈化煙氣，且呼吸阻力較大、佩戴舒適感差。

哈爾濱工業大學在2016年申請了一種利用中空疊加式活性碳纖維作為口罩濾芯材料的專利（CN 105361289B），通過對活性炭纖維進行預處理及綠色環保的活化技術，解決了直接使用活性碳纖維不能有效吸附空氣中PM2.5及有害氣體的問題。

3 纖維吸附過濾型

纖維過濾材料可以細分為熔噴無紡布、靜電紡無紡布、熔噴納米纖維和靜電紡納米纖維4種。

熔噴技術是依靠高速、高溫氣流噴吹聚合物熔體使其得到迅速拉伸而制備超細纖維的一種方法，它是目前工業上制備非織造材料最常用的方法之一，典型的熔噴纖維的直徑為2 000～5 000 nm。

靜電紡絲技術是使帶電荷的高分子溶液或熔體在高壓靜電場的作用下得到纖維狀物質的一種方法。靜電紡納米纖維很難單獨收集，目前，靜電紡納米纖維主要以無紡布或膜的形式出現。典型的靜電紡絲纖維直徑為40～2 000 nm。

當前，熔噴技術應用比靜電紡絲技術更廣泛。用靜電紡絲法制備的非織造材料具有更細的纖維、更好的過濾性能[1]。

3.1 無紡布

無紡布具有過濾效率較高、使用壽命長、價格低廉、呼吸阻力小等特點。無紡布口罩廣泛用于醫院、食品加工、礦山等需防塵、防菌的工作場所。

無紡布的密度越大，過濾效率越好。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、50 g/m3等3種，N99使用了60、70 g/m3兩種，N100則使用90 g/m3的濾料。該公司于2007年提出的PCT申請WO 2011011083A2公開了一種口罩濾料，其過濾層由熔噴纖維材料制成，過濾層設置為具有多個波峰P、波谷T的波浪形狀，表面積顯著增加，過濾效率提升。

3.2 納米纖維

納米纖維具有過濾性能高、空氣阻力小、孔隙率高、佩戴舒適等優點，能很好地阻止化學毒氣、氣溶膠粒子透過，且可從液體或氣體中除去小于100 nm的顆粒和微粒，因而在高端過濾和分離領域得到了廣泛使用。但其強度低，一般需要熔噴、紡粘或針織材料作為支撐。將納米纖維加入熔噴與紡粘織物之間制成的過濾材料，比傳統的過濾器能更有效地排除超細微粒。

熔噴納米纖維的單絲直徑可控制在500～1 000 nm，熔噴法聚合物納米纖維生產效率高，成本更具競爭優勢。H&V公司立足熔噴法工藝，開發了新型熔噴納米纖維產品“Nanoweb”，將該熔噴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%，從而改善呼吸器的氣流運行狀態，提高使用舒適度。

靜電紡納米纖維的單絲直徑通常在100～500 nm，能夠擋住0.5 μm的微粒，過濾效率非常高。

武漢紡織大學申請的專利CN 105582744A公開了一種蠶絲納米纖維口罩，制成蠶絲納米纖維漿料，用高壓噴槍噴涂1 μm厚蠶絲納米纖維到無紡布上，制得蠶絲納米纖維與無紡布的復合膜，可以有效地過濾掉150 nm以上的顆粒。無紡布不僅為蠶絲納米纖維提供了支撐，也避免了單獨使用蠶絲納米纖維強度低的缺點，制備的蠶絲納米纖維可生物降解、環保。

江南大學申請CN 102920067A公開了一種納米纖維防護口罩，在傳統的雙層非織造布制成的防護口罩中間加入了納米纖維膜，制成“非織造布-納米纖維膜-非織造布”形式的夾心材料。該夾心材料透氣率較無夾心層時僅下降25 mm/s，而對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌的菌懸液的過濾效率由27%左右提高至80%以上。

4 纖維過濾+靜電作用（駐極體）

駐極體是指具有極化電荷的固體電介質材料，依靠庫倫力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導微粒產生極性再將其捕獲，從而更有效地過濾空氣中的亞微粒子，這種帶電效應還能起到抑制和殺滅病菌的作用[2]。

通過對駐極體的材料實施氣相沉積等工藝，能夠在較為緩和的生產條件下（例如較低的溫度）實施成本較低的規模化生產。

駐極體相關產品：國際上有預防病毒功能的3M手術口罩中使用了駐極體過濾材料，松下、海爾等在空調中采用駐極體空氣過濾器，對空氣進行凈化殺菌，此外還有無菌室濾布、抗菌防塵口罩和防SARS隔離服等。

北京隨能科技有限公司申請的發明專利CN 106110762A公開了一種在基體骨架上設置帶有電荷的駐極體材料，通過氣相沉積、電暈放電處理制備所述材料。所述材料具有壓降小、透氣性好、輕薄和柔軟等特性，適合作為顆粒物過濾材料（如N95，N97口罩）的生產材料。

5 過濾膜

以無紡布為基布復合一層過濾膜，能使濾材的過濾性能得到大幅提高，有效阻截空氣中微小顆粒和病毒。聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）微孔膜是口罩中常用的過濾膜，具有孔隙率高、孔徑分布均勻、透氣不透水等特性，常用作殺菌濾膜、各種溶劑的超凈過濾膜等[3]。

武漢龍飛翔科技產品制造有限公司申請的專利CN 203873053U公開了一種帶有e-PTFE微孔膜的口罩，包括一層或多層e-PTFE微孔過濾膜層和無紡布支撐層，有效地阻隔了PM2.5顆粒的進入。PTFE材料具有不黏性，將進入口罩的物質截留在e-PTFE微孔過濾膜層表面以外而不黏附在薄膜表面，使口罩具有更長的使用壽命。

此外，多種過濾膜復合形成濾材成為技術熱點，這種濾材在保證過濾性能的同時還可以兼采多種材料的優點。如嘉興學院申請的發明專利CN 106108175A，其口罩同時含有生物質高聚物微/納米纖維微孔膜層，Fe3+，N共摻雜二氧化鈦微/納米纖維微孔膜層、生物質高聚物微/納米纖維微孔膜層。

表1對上述各種濾材的特點進行了簡單總結，并介紹了市售各類型口罩的價格。

表1 各過濾材料口罩對比

6 結語

各種濾材的口罩都有其適用的環境，在使用時需根據使用的環境，并綜合考慮過濾性能、呼吸阻力來挑選合適的口罩。就目前來說，逐步惡化的空氣質量對口罩濾材的過濾性提出了更高的要求，具備高過濾性、良好殺菌性及低呼吸阻力的新型濾材也是濾材領域重點研究的方向。