醫(yī)用防護服用國產(chǎn)閃蒸法非織造布淺析

羅章生 何力軍

廈門當(dāng)盛新材料有限公司，福建 廈門 361000

1 閃蒸紡絲技術(shù)歷史及在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

1955年，杜邦公司的研究人員開發(fā)出高密度聚乙烯纖維的閃蒸紡絲技術(shù)。1965年，杜邦公司為采用閃蒸技術(shù)制造的非織造布正式注冊商標(biāo)并命名為Tyvek，并于1967年開始商業(yè)化量產(chǎn)[1]。國際上，閃蒸法非織造布因具有纖維細、強度高、質(zhì)輕的特點，并且兼具防水性與透氣性等優(yōu)良的綜合特性，在個人防護、醫(yī)療包裝、建筑圍護及工業(yè)包裝等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，商業(yè)潛力巨大。

醫(yī)用防護纖維基礎(chǔ)材料的應(yīng)用需求，使閃蒸紡絲技術(shù)成為近年來國內(nèi)的研究熱點。閃蒸法纖維材料的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)及裝備的研究，與熔噴紡、靜電紡、纖維素纖維溶液紡等技術(shù)及裝備的研究被共同列入《紡織行業(yè)“十四五”綠色發(fā)展指導(dǎo)意見》[2]中的“節(jié)能減碳重點工程”。

近20年來，關(guān)于閃蒸紡絲技術(shù)理論與工藝的研究報道較多，國內(nèi)部分高校與企業(yè)也有相關(guān)的專利申請，但市場上鮮有國產(chǎn)閃蒸法非織造布產(chǎn)品問世。廈門當(dāng)盛新材料有限公司(后文簡稱“當(dāng)盛新材”)一直致力于閃蒸紡絲技術(shù)國產(chǎn)化的研究，歷經(jīng)10年，從閃蒸專有設(shè)備、生產(chǎn)工藝到產(chǎn)品下游應(yīng)用，獲得42項專利授權(quán)，形成了國產(chǎn)化閃蒸技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)池。2019年，經(jīng)過專家生產(chǎn)現(xiàn)場鑒定，當(dāng)盛新材成功實現(xiàn)了閃蒸聚乙烯非織造布的量產(chǎn)和商業(yè)化。截至目前，當(dāng)盛新材也是國內(nèi)唯一一家可以批量化供應(yīng)閃蒸法非織造布的企業(yè)。

鑒于世界衛(wèi)生組織的推薦及在國際疫情防控中的出色表現(xiàn)，閃蒸法非織造布已成為醫(yī)用防護領(lǐng)域的標(biāo)桿材料。有報道，每年全球范圍內(nèi)閃蒸法非織造布防護服的消費量超過2億件[3]。2019年12月至今，新冠肺炎疫情在全球大面積暴發(fā)，該材料也因此獲得了人們更多的關(guān)注。閃蒸法非織造布防護服因其高防護性、持久耐用性及穿著舒適性等杰出的綜合性能，獲得市場高度認可。2020年，杜邦公司推出Tyvek Together計劃[4]，將以往只提供成衣的模式改為提供面料給合作伙伴加工模式，以快速提升市場供應(yīng)能力，閃蒸法非織造布防護服年供應(yīng)量超過8 500萬件，充分表明市場對閃蒸法非織造布制成的防護服認可度高，需求量大。

本文將當(dāng)盛新材生產(chǎn)的閃蒸法非織造布(國產(chǎn)閃蒸法非織造布)與市場上典型的防護服面料進行對比測試與分析，并與杜邦公司生產(chǎn)的防護服用閃蒸法非織造布材料作對比，同時分析了這種閃蒸法非織造布在滅菌適應(yīng)性和耐老化性方面的特點。研究旨在推動國產(chǎn)閃蒸纖維材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2 國產(chǎn)閃蒸法非織造布與常見醫(yī)用防護紡織品性能對比

常見的醫(yī)用防護紡織品有紡黏覆膜布、紡黏-熔噴-紡黏(SMS)復(fù)合非織造布及閃蒸法非織造布。紡黏覆膜布的初始防護性能極佳，透氣性依賴于透氣膜的孔隙大小，不同品種間差異很大。一般而言，孔隙大與微生物屏障性好是相互矛盾的一對指標(biāo)，更大的透氣性和服用舒適性意味著需要犧牲一部分微生物防護安全性。SMS材料是一種多層結(jié)構(gòu)復(fù)合非織造布材料，其典型產(chǎn)品包含3層，中間層熔噴纖維提供微生物阻隔性，上下層紡黏纖維提供較強的力學(xué)性能，這種材料整體透氣性好，穿著舒適，但微生物防護安全性相對較差。國產(chǎn)閃蒸法非織造布則兼?zhèn)鋬?yōu)良的微生物屏障性和透氣舒適性，并且耐用性好。

2.1 微觀形態(tài)對比

2.1.1 紡黏覆膜布

紡黏覆膜布由厚約0.02 mm的表面聚乙烯(PE)薄膜層與聚丙烯(PP)紡黏纖維基底層2部分組成，如圖1所示。

圖1 紡黏覆膜布截面掃描電子顯微鏡圖

紡黏覆膜布的力學(xué)強度主要來自基底層PP紡黏纖維，這部分纖維粗大，纖維間孔隙過大，不具備微生物屏障性，因此這類防護服面料的防護特性完全依賴于其表層非常薄的PE膜。

2.1.2 SMS非織造布

SMS非織造布的面層和底層由PP紡黏纖維制成，中間層是厚約0.07 mm的熔噴纖維層，其纖維線密度比紡黏纖維小得多，纖維間孔隙較小，具備一定的微生物屏障性，如圖2所示。這種非織造布的中間層纖維強度低，在面料總厚度一定的情況下，若要提升非織造布的微生物屏障性，需增加中間層熔噴纖維的比例，這意味著需減小紡黏纖維層比例，將導(dǎo)致面料整體力學(xué)性能下降，使用安全性變差。

圖2 SMS非織造布截面掃描電子顯微鏡圖

2.1.3 國產(chǎn)閃蒸法非織造布

由當(dāng)盛新材生產(chǎn)的國產(chǎn)閃蒸法非織造布，其掃描電子顯微鏡圖如圖3所示。由圖3可以看出，從表面形態(tài)看，這種非織造布全部由直徑為0.2～5.0 μm的纖維長絲相互交織而成，形成致密、堅韌但透氣的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。閃蒸紡絲技術(shù)賦予纖維超小的直徑和優(yōu)良的單絲強度，經(jīng)固結(jié)成型后非織造布材料強度高，制成的防護服結(jié)實耐用，使用安全性好。微生物要穿透這種結(jié)構(gòu)的材料，必須經(jīng)過多層堆疊的超細纖維間形成的狹長而曲折的通道。因此，閃蒸法非織造布具有天然的高微生物屏障性。由于材料整個厚度方向均為具有微生物阻隔性能的功能層，因此即使其表層磨損，仍可保留相當(dāng)高的微生物屏障性，從而確保防護服的高防護性。同時，人體產(chǎn)生的濕氣氣體分子很小，可以自由透過纖維結(jié)構(gòu)中的孔隙排出，因此防護服的服用舒適性也得以實現(xiàn)。

圖3 國產(chǎn)閃蒸法非織造布的掃描電子顯微鏡圖

2.2 強度試驗

防護服的安全耐用性與面料強力直接相關(guān)。本文分別從紡黏覆膜布、SMS非織造布及國產(chǎn)閃蒸法非織造布制成的防護服上裁取面料試樣，測試其斷裂強力和頂破強力并進行對比。紡黏覆膜布、SMS非織造布和國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣的面密度分別為69、60和60 g/m2。

分別根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力與斷裂伸長率的測定(條樣法)》和GB/T 19976—2005《紡織品頂破強力的測定(鋼球法)》，測試試樣的斷裂強力和頂破強力。試驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，閃蒸法非織造布的斷裂強力和頂破強力約為紡黏覆膜布和SMS非織造布的2～3倍。表明采用國產(chǎn)閃蒸法非織造布制成的防護服更耐環(huán)境物理沖擊和撕扯，可提供更好的防護安全性。

表1 3種非織造布試樣的力學(xué)強度對比

2.3 耐磨性試驗

防護服在使用過程中除了會受到各種刮擦外，還可能面臨血液、體液或化學(xué)品潑濺甚至噴射的風(fēng)險，因此，評估面料經(jīng)歷刮擦后抵抗液體的滲透能力十分必要。本文根據(jù)GB/T 21196.2—2007《紡織品馬丁代爾法織物耐磨性的測定 第2部分：試樣破損的測定》、GB/T 4744—2013《紡織品防水性能的檢測和評價靜水壓法》和YY/T 0700—2008《血液和體液防護裝備 防護服材料抗血液和體液穿透性能測試 合成血試驗方法》，評估紡黏覆膜布、SMS非織造布和國產(chǎn)閃蒸法非織造布材料的初始耐磨性能、抗水分滲透能力和抗合成血液穿透能力。之后，采用1元硬幣在面料表面輕按刮擦10次，模擬應(yīng)用時受到摩擦的情況，目測檢查試樣表面受損情況并記錄，再測試刮擦后試樣的抗水分滲透性能和抗合成血液穿透性能。

3種試樣的耐磨性測試結(jié)果見表2。可以看出，將閃蒸法非織造布磨破所需的循環(huán)次數(shù)遠超紡黏覆膜布和SMS非織造布，表明閃蒸法非織造布可提供更佳的防護安全性。

表2 3種非織造布試樣的耐磨性測試結(jié)果

經(jīng)10次硬幣刮擦試驗后，3種非織造布試樣刮擦前后的表面情況如圖4～圖6所示。由圖4可以看出，刮擦后紡黏覆膜布的表面出現(xiàn)了明顯的破洞。由圖5可以看出，刮擦后SMS非織造布的布面起毛，孔隙明顯增大。由圖6可以看出，刮擦后閃蒸法非織造布表面出現(xiàn)了起皺情況，但未出現(xiàn)孔洞。

圖4 刮擦前后紡黏覆膜布試樣的表面情況

圖5 刮擦前后SMS非織造布試樣的表面情況

圖6 刮擦前后國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣的表面情況

2.4 抗水分滲透能力和抗合成血液穿透能力試驗

3種非織造布試樣的抗水分滲透能力和抗合成血液穿透能力試驗結(jié)果如表3所示。

表3 3種非織造布試樣的阻液體滲透性試驗結(jié)果

刮擦后試樣的抗合成血液穿透試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，在未施加任何壓力的狀態(tài)下，紡黏覆膜布和SMS非織造布即出現(xiàn)滲透情況。

圖7 刮擦后試樣的抗合成血液穿透試驗結(jié)果

結(jié)合表3和圖7可知，盡管紡黏覆膜布的初始抗液體滲透性好，但其易受刮擦損傷；刮擦后試樣的抗液體滲透性能急劇下降，尤其是對抗合成血液的穿透，無任何阻隔作用；SMS非織造布對刮擦有一定的抵抗能力，但其初始耐靜水壓值是3種面料中最低的，并且對合成血液的穿透幾乎沒有抵抗能力；當(dāng)盛新材國產(chǎn)閃蒸法非織造布在刮擦前后均具有良好的抗靜水壓能力與抗合成血液穿透能力，防護性最好。

3 國產(chǎn)與進口閃蒸法非織造布產(chǎn)品的主要物理指標(biāo)對比

采購杜邦公司生產(chǎn)的市售醫(yī)用防護服并取樣，然后采用相同的測試方法對國產(chǎn)與進口閃蒸法非織造布試樣進行主要物理性能測試，結(jié)果見表4。

表4 國產(chǎn)與進口閃蒸法非織造布試樣的主要物理性能對比

進口防護服用閃蒸法非織造布手感更柔軟，其表面有清晰的軋點，與國產(chǎn)材料很容易區(qū)分。由表4可以看出，國產(chǎn)閃蒸法非織造布較厚，面密度大，但斷裂強力和抗刺穿性能遠高于進口閃蒸法非織造布。從表征舒適性的透濕量及透氣率指標(biāo)來看，國產(chǎn)閃蒸法非織造布性能更佳。總體而言，國產(chǎn)閃蒸法非織造布除因較厚重而懸垂性較差外，其功能性指標(biāo)與進口閃蒸法非織造布試樣相比毫不遜色，甚至優(yōu)于進口產(chǎn)品。目前，進口閃蒸法非織造布材料已在防護服領(lǐng)域得到權(quán)威的認可與廣泛應(yīng)用。基于此，相信國產(chǎn)閃蒸法非織造布材料在防護服領(lǐng)域的應(yīng)用前景也非常樂觀。

4 國產(chǎn)閃蒸法非織造布的滅菌適應(yīng)性

防護服根據(jù)使用環(huán)境的不同，有的需進行滅菌處理。近年來,多次突發(fā)疫情導(dǎo)致市場上的防護服出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，催生了對可重復(fù)使用防護服的市場需求。防護服材料是否適應(yīng)各種不同形式的滅菌處理，也是評估材料優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。

本文以當(dāng)盛新材生產(chǎn)的閃蒸法非織造布為測試樣，采用市場上主流的環(huán)氧乙烷(EO)滅菌和輻照滅菌處理方法，分別測試分析滅菌處理前后材料斷裂強力和微生物屏障性能的變化。

試驗方法：對試樣分別進行1個和2個循環(huán)的滅菌處理，按GB/T 24218.3—2010測試滅菌處理前后材料的斷裂強力，按YY/T 0681.10—2011對滅菌處理前后材料的微生物屏障性能進行分級評估。

1)輻照滅菌處理試驗參數(shù)如下：第一次γ射線劑量為26.9 kGy,第二次累計劑量為53.32 kGy。

2)EO滅菌試驗參數(shù)如下：滅菌壓力為-40 kPa；溫度為(50±5)℃；相對濕度為(61±10)%；EO用量為(16±1)kg；質(zhì)量濃度為(630±50)mg/L；保持時間為5 h；置換次數(shù)為9次。

國產(chǎn)閃蒸法非織造布滅菌適應(yīng)性試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，當(dāng)盛新材生產(chǎn)的國產(chǎn)閃蒸法非織造布擁有優(yōu)良的滅菌適應(yīng)性。EO滅菌處理對材料的斷裂強力沒有損傷，正常滅菌劑量的γ射線輻照滅菌后，試樣的斷裂強力損失率約為10%，滅菌處理后試樣仍具有較高的力學(xué)性能，但反復(fù)輻照滅菌處理會造成材料的斷裂強力顯著降低。滅菌處理前后試樣的微生物屏障性能變化不大，甚至2次滅菌處理后，材料的微生物屏障性能反而略有提高。

圖8 滅菌處理前后國產(chǎn)閃蒸法非織造布斷裂強力對比

圖9 滅菌處理前后國產(chǎn)閃蒸法非織造布微生物屏障性能對比

5 國產(chǎn)閃蒸法非織造布的耐老化性

疫情發(fā)生的時間和地點不可預(yù)知，而醫(yī)護人員以最快的速度控制住疫情的擴散對阻斷疫情傳播而言至關(guān)重要。等疫情暴發(fā)以后再訂制防護服往往時間上來不及，解決這個問題的關(guān)鍵有兩點：一是提前儲備防護服；二是確保儲備的防護服適合較長時間的儲備，在儲備期內(nèi)始終保持防護性。因此，用作防護服面料的閃蒸法非織造布是否耐老化，能否長期儲存值得探討。

防護服儲備問題的現(xiàn)狀是，閃蒸法非織造布防護服因原料稀缺，在中國市場上目前未見儲備，而紡黏覆膜布和SMS非織造布的主體材料是聚丙烯，其在空氣中易氧化老化，不適合長期應(yīng)急儲備。

本文對當(dāng)盛新材生產(chǎn)的國產(chǎn)閃蒸法非織造布的耐浸水性、熱空氣老化性能、紫外(UV)光老化性能及5年加速老化后材料的微生物屏障性能進行了探索性試驗研究。

5.1 浸水試驗與熱空氣老化試驗

5.1.1 浸水試驗

按標(biāo)準(zhǔn)測試方法，分別測試浸水前后國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣的斷裂強力和斷裂伸長率，計算浸水后試樣的強力保留率。操作步驟如下：將同一批試樣分成兩批，一批在浸水前測試其斷裂性能，另一批在室溫下的水中浸泡168 h后取出，在(23±2)℃的溫度下放置24 h，然后按相同測試方法測試試樣的斷裂性能，計算斷裂強力和斷裂伸長率保留率。浸水后指標(biāo)保留率高，表明試樣的耐濕穩(wěn)定性好。浸水后試樣拉伸性能試驗結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，試驗用國產(chǎn)閃蒸法非織造布具有良好的耐濕穩(wěn)定性。

表5 浸水后試樣拉伸性能的變化

5.1.2 熱空氣老化試驗

按標(biāo)準(zhǔn)測試方法，分別測試熱空氣老化前后國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣的斷裂強力和斷裂伸長率，計算熱空氣老化后試樣的強力保留率。操作步驟如下：將同一批試樣分成兩批，一批在熱空氣老化前測試其斷裂性能，另一批在(80±2)℃的烘箱中熱空氣老化處理168 h后取出，在(23±2)℃的溫度下放置24 h，然后按相同測試方法測試試樣的斷裂性能，計算斷裂強力和斷裂伸長率保留率。熱老化后指標(biāo)保留率高，表明試樣的耐濕穩(wěn)定性好。熱老化后試樣拉伸性能試驗結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，試驗用國產(chǎn)閃蒸法非織造布的熱空氣老化性良好。

表6 熱老化試驗后試樣拉伸性能的變化

5.2 UV光老化試驗

按標(biāo)準(zhǔn)老化方法對國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣進行250 h和500 h的UV光老化處理，測試比較UV光老化后試樣的斷裂強力保留率。一個UV光老化循環(huán)為8 h的UV光照，0.25 h UV光照+噴淋，3.75 h冷凝。

UV光老化后試樣的拉伸性能測試結(jié)果如表7所示。可以看出，UV光老化對閃蒸法非織造布的拉伸性能有顯著影響，如材料未經(jīng)特別的抗老化處理，應(yīng)避免長時間的日光照射。

表7 UV光老化試驗后試樣外觀與拉伸性能的變化

5.3 5年加速老化后的微生物屏障性能

將國產(chǎn)閃蒸法非織造布試樣按照ASTM F 1980-16Standardguideforacceleratedagingofsterilemedicaldevicepackages規(guī)定置于老化箱中加速老化162 d(相當(dāng)于真實老化5 a)。對加速老化后的試樣，按DIN 58953-6∶2016 《消毒 消毒材料供應(yīng) 第6部分：待滅菌醫(yī)療器械包裝材料的微生物屏障檢驗》進行瓊脂接觸攻擊試驗，評價試樣微生物屏障性能的有效期。血瓊脂板上生長的菌落數(shù)越少，表明材料的微生物屏障性能即抗細菌透過性能越好。試驗以5組接觸染菌試樣內(nèi)表面的血瓊脂平板作為測試試樣，1組與接種面接觸的血瓊脂平板作為陽性對照樣，1組僅與未接種樣片接觸的血瓊脂平板作為陰性對照樣，共測試了7組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表8所示。由表8可以看出，該國產(chǎn)閃蒸法非織造布材料在歷經(jīng)5年的加速老化后，仍具有很高的微生物屏障性能。

表8 瓊脂接觸攻擊試驗結(jié)果

綜上可知，當(dāng)盛新材閃蒸非織造布具有如下特性：1)兼具防護性、安全性和舒適性。材料整個厚度方向均為致密、超細和強韌的纖維，微生物阻隔性高，防護性能強；耐磨抗穿刺，使用安全性高，透濕性能優(yōu)于進口產(chǎn)品，服用舒適性。2)滅菌適應(yīng)性。普遍適用于環(huán)氧乙烷滅菌和正常劑量輻照滅菌。3)適合長期儲備。對浸水、熱空氣老化都有良好的抵抗能力，微生物屏障性能可長時間保持，但受紫外光照射后老化較快，在避光良好的儲存條件下，國產(chǎn)閃蒸法非織造布防護服可保持較長時間的有效性，適合長期儲備。

6 當(dāng)盛新材醫(yī)用防護服用閃蒸非織造布市場現(xiàn)狀

當(dāng)盛新材閃蒸法非織造布于2019年成功實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，2020年起開始在醫(yī)用防護領(lǐng)域得以應(yīng)用。近3年來，來自市場的挑戰(zhàn)倒逼企業(yè)不斷進步，促使企業(yè)逐步完善設(shè)備和工藝，開發(fā)出更具適用性的產(chǎn)品，技術(shù)成熟度也不斷提高。當(dāng)盛新材對閃蒸技術(shù)與裝備擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)，因此有條件不受限制地進行產(chǎn)品迭代。

相比市場上早已成熟的紡黏覆膜布和SMS非織造布等傳統(tǒng)醫(yī)用防護紡織品，當(dāng)盛新材閃蒸非織造布在功能上屬于升級換代產(chǎn)品，市場銷售結(jié)果證實其成本也是客戶可接受的。以5年為時間期限，討論醫(yī)用防護服的應(yīng)急儲備問題。結(jié)果表明，閃蒸法非織造布產(chǎn)品的成本及運營可行性遠優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用防護紡織品。原因是紡黏覆膜布和SMS非織造布防護服均使用在空氣中易氧化的PP為原材料，為確保在5年倉儲期內(nèi)產(chǎn)品始終有效，至少需要先后采購5批，而閃蒸法非織造布產(chǎn)品則僅需采購1次。

7 結(jié)語

本文采用對比試驗方法，分別從微觀形態(tài)、拉伸強度、耐磨性和安全性方面將當(dāng)盛新材生產(chǎn)的國產(chǎn)閃蒸法非織造布與醫(yī)用防護領(lǐng)域常用的紡黏覆膜布和紡黏-熔噴-紡黏復(fù)合(SMS)非織造布進行對比，并分析了國產(chǎn)閃蒸法非織造布與進口閃蒸法非織造布主要性能指標(biāo)的差異，同時對當(dāng)盛新材閃蒸法非織造布的滅菌適應(yīng)性和耐老化性進行試驗研究，最后簡要分析了當(dāng)盛新材醫(yī)用防護服用閃蒸法非織造布的市場現(xiàn)狀。研究結(jié)果表明，當(dāng)盛新材閃蒸法非織造布相比傳統(tǒng)醫(yī)用防護紡織品具有優(yōu)越性，其性能與進口醫(yī)用防護服用閃蒸法非織造布相比也毫不遜色。對當(dāng)盛新材閃蒸法非織造布滅菌適應(yīng)性和耐老化性的試驗研究證實，這種材料具有優(yōu)良的滅菌適應(yīng)性、耐濕穩(wěn)定性和耐熱老化性，這為其在醫(yī)用防護服領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。