醫(yī)用防護口罩過濾層性能的對比與分析*

韓 旭 張寅江 楊 瑞

(1.浙江和中非織造股份有限公司，紹興，312000;2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，紹興，312000;3.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

多年前爆發(fā)的SARS以及近年來出現(xiàn)的高致病性禽流感、甲型H1N1和H7N9等流感疫情多為呼吸道傳染病。呼吸道傳染病往往通過飛沫和空氣傳播，對公眾健康和社會穩(wěn)定帶來嚴重的威脅［1］。對某些醫(yī)院手術(shù)用平面口罩，依據(jù) GB19083—2010《醫(yī)用防護口罩技術(shù)要求》，在TSI8130型過濾效率儀器上進行檢測，結(jié)果顯示過濾效率在20%以下。這種口罩僅可防塵，無法幫助醫(yī)務(wù)人員對飛沫、空氣傳播的病毒進行有效防護［2］。非織造材料醫(yī)用防護口罩過濾層是經(jīng)高溫熔噴產(chǎn)生的超細纖維制成的過濾材料，可有效阻擋飛沫和微塵，氣流阻力適宜，無菌且具有良好的耐腐蝕性。佩戴醫(yī)用防護口罩可有效阻斷病原微生物侵入人體，預(yù)防呼吸道傳染病的流行，保護人體健康安全［3-4］。

熔噴過濾層醫(yī)用防護口罩阻擋的對象是顆粒物，細菌、病毒等在空氣中并不是獨立存在的，它們需要依附在顆粒物上才能進行宿主間的交叉?zhèn)魅荆梳t(yī)用防護口罩可阻隔微生物傳染。醫(yī)用防護口罩過濾性能的優(yōu)劣主要取決于其芯層的濾材，由于芯層復(fù)雜的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)和纖維隨機三維分布，材料中含有大量微小孔空隙，微粒圍繞纖維經(jīng)過各種類型的彎曲通道或路徑，大大增加了浮懸于流體中的顆粒產(chǎn)生碰撞而將其滯留的概率［5-6］。同時以其超細的纖維直徑、纖維三維無序結(jié)構(gòu)、工藝流程短、可回收、經(jīng)過駐極后較高的過濾效率、適宜的呼吸阻力等優(yōu)點，已經(jīng)普遍應(yīng)用在醫(yī)用防護口罩上，對于防止SARS和禽流感病毒的侵襲具有優(yōu)異的效果。

1 樣品制備流程和性能測試

1.1 口罩熔噴過濾層的制備

醫(yī)用防護口罩熔噴過濾層的制備流程如下：

1.2 樣品性能測試

1.2.1 過濾層厚度測試

參照標準：GB/T24218.2—2009。

測試儀器：YG141N型數(shù)字式織物厚度儀。

1.2.2 過濾層表面形態(tài)測試

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡，對熔噴布表面形態(tài)進行測試。

1.2.3 過濾層纖維直徑測試

根據(jù)纖維直徑測試標準GB/T10685—2007，采用BEION F6型纖維細度儀對熔噴纖維平均直徑進行測試。

1.2.4 過濾層透氣性測試

參照標準：GB/T5453—1997。

測試儀器：TEXTEST FX3300型透氣測試儀。

1.2.5 過濾層面密度測試

參照標準：GB/T24218.2—2009。

測試儀器：圓盤取樣機、FA2004A型電子天平。

1.2.6 過濾層過濾效率測試

參照標準：GB19083—2010《醫(yī)用防護口罩技術(shù)要求》。

測試儀器：TSI8130型過濾效率儀。

1.2.7 過濾層拉伸強度測試

參照標準：FZ/T60005—1991。

測試儀器：HD026NS型電子織物強力儀。

1.2.8 過濾層靜電勢測試

參照標準：FZ/T01042—1996《紡織材料 靜電性能靜電電壓半衰期的測定》。

測試儀器：YG401型織物感應(yīng)式靜電測試儀。

測試方法：采用YG401型織物感應(yīng)式靜電測試儀對非織造布的表面靜電勢進行測試。對3塊45 mm×60 mm的樣品進行電暈駐極處理，駐極電壓為10 kV，駐極時間為30 s，測試探頭與試樣間的距離為15 mm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。駐極完成后立即記錄60 s內(nèi)的表面電壓值，每5 s記錄1次數(shù)據(jù)。

1.2.9 過濾層孔徑測試

參照標準：FZ/T316—2003。測試儀器：PMI型孔徑測試儀。

2 醫(yī)用防護口罩過濾層過濾效率對比

表1為國產(chǎn)紗布口罩與熔噴過濾層進行5次測試的平均值。在流量為85 L/min的條件下測試發(fā)現(xiàn)，隨著紗布層數(shù)的增加，所表現(xiàn)出來的阻力從28.42 Pa增加到49.98 Pa。紗布層數(shù)增加，紗布中的微小孔徑由于纖維與纖維的疊加而變得細小;同時隨著紗布層數(shù)的增加，NaCl氣溶膠透過紗布的概率也逐漸變小。A、B、C分別代表10、20和30 g/m2三種不同面密度的熔噴過濾層，對三者進行過濾效率測試，發(fā)現(xiàn)隨著熔噴過濾層面密度的增加，阻力逐漸增大，滲透率逐漸減小。因為隨著面密度的增加，超細纖維疊加得更加密集，孔徑變得更加細小，故而滲透率逐漸下降，過濾效率逐漸增加。

表1 國產(chǎn)紗布口罩及過濾層的過濾效率

對紗布口罩與熔噴過濾層材料進行對比分析，在相同測試條件下，紗布層數(shù)越多，紗布口罩的呼吸阻力越大，到20層時其呼吸阻力接近熔噴過濾層材料，但這都在合理安全的范圍內(nèi)，不影響人佩戴時的呼吸舒暢狀況。與呼吸阻力變化類似，隨著紗布層數(shù)的增加，紗布口罩的過濾效率逐漸增大，到20層時紗布口罩的過濾效率與單層的熔噴過濾層材料接近。

唐世君等［2］采用熔噴和駐極加工工藝生產(chǎn)的超微細纖維濾料所制成的“非典”防護口罩的過濾效率大于95%，氣流阻力小于343.2 Pa，能夠隔離病毒，過濾性能強，空氣阻力小，密閉性能好，可滿足抗“非典”要求。而沒有經(jīng)過駐極加工的熔噴過濾層材料的過濾效率僅為30%左右，故后道靜電駐極加工對提高材料的過濾效率具有很大的影響。

3 國內(nèi)外醫(yī)用防護口罩熔噴過濾層性能對比

3.1 基本物理性能對比分析

測試3種國內(nèi)常用的熔噴過濾層(1#、2#、3#)及2種國外未駐極口罩過濾層(4#、5#)樣品的基本物理性能，并進行對比分析，為我們設(shè)計產(chǎn)品和調(diào)整工藝提供參考。5種樣品的電鏡照片和纖維直徑分布見圖1～圖5，基本物理性能見表2和表3。

圖1 1#樣品

圖2 2#樣品

圖3 3#樣品

圖4 4#樣品

圖5 5#樣品

表2 5種樣品的基本物理性能

由表2可知，透氣率隨厚度的增加而減小，因為隨著厚度的增加，超細纖維層與層疊加，孔徑縮小，導(dǎo)致透氣率下降。同種材料的纖維直徑差別不大，但相比2種未駐極的某國外口罩過濾層，其纖維直徑明顯比國產(chǎn)樣品要小，而且分布域更加集中;未駐極的某國外口罩過濾層的靜水壓明顯比國產(chǎn)樣品要大，而孔隙率相反要小。另外，不管縱向還是橫向，未駐極的某國外口罩過濾層的拉伸強力和伸長率都要比國產(chǎn)樣品大，隨著厚度的增加，拉伸強力和伸長率增加。

在拉伸強力和伸長率方面，可能是國產(chǎn)樣品生產(chǎn)時加熱溫度過低，致使出模頭高溫熔體與外界進行熱交換，快速降溫冷卻，熔體細流噴射成超細纖維時因熔融而相互黏結(jié)作用沒有那么明顯，故在拉伸時強力和伸長率相對較小。

在纖維直徑方面，未駐極的某國外口罩過濾層的纖維直徑普遍較小，且范圍集中;而國產(chǎn)樣品的纖維直徑與其相比略粗，直徑分布相對分散。纖維細，比表面積大，纖維與纖維間疊加黏合的概率增加，故未駐極的某國外口罩過濾層的靜水壓明顯比國產(chǎn)樣品大，而孔隙率要小。這說明過濾層的纖維直徑及分布是很重要的參數(shù)。因此必須提高所設(shè)計生產(chǎn)線產(chǎn)品的穩(wěn)定性，使吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)均勻，模頭整體加熱也要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細流經(jīng)模頭噴射時模頭的周邊環(huán)境(溫度、濕度、壓力)要求穩(wěn)定。國產(chǎn)的模頭相比于日本卡森公司和德國萊芬公司生產(chǎn)的模頭，加工精度有一定的差距。

表3 5種樣品的孔徑

由表3可知，國產(chǎn)樣品平均孔徑隨著厚度的增加而逐漸減小，從17.450 6 μm下降到 15.615 9 μm;國外樣品因面密度接近，平均孔徑值相差不大。從5種樣品的孔徑分布(圖1～圖5)來分析，樣品1#、2#、3#的孔徑分布離散性大，分布不集中;樣品4#、5#的孔徑分布相對集中。結(jié)合上述5種樣品的纖維直徑分布進行分析，纖維直徑小，且直徑分布均勻集中，抽吸風(fēng)作用下在凝網(wǎng)簾上形成的過濾層纖網(wǎng)，纖維與纖維間疊加黏合所形成的孔徑值分布均勻，平均孔徑相對較小;而國產(chǎn)過濾層樣品的纖維平均直徑相對國外過濾層的纖維直徑要大，而且離散性大，纖維直徑分布不集中，電鏡下觀察粗細纖維明顯，故所形成的過濾層纖網(wǎng)孔徑分布也不集中，同樣的面密度，其平均孔徑相對較大。

3.2 經(jīng)駐極加工后口罩過濾層性能對比

3.2.1 過濾效率和阻力變化

對兩類樣品進行相應(yīng)的駐極處理，放置于密封袋中，得到一系列經(jīng)駐極處理后隨時間變化的過濾效率值(表4)和相應(yīng)的呼吸阻力值(圖6)。

過濾層的過濾機理主要包括慣性沉積、截留沉積、擴散沉積和靜電吸引沉積等。由表4可知，5種過濾層樣品中，經(jīng)過靜電駐極的樣品與未進行靜電駐極的樣品相比，過濾效率有明顯的提高，從未駐極的20%～35%迅速上升到60%～88%，說明靜電吸引沉積對過濾效率有著重要的作用。由于時間有限，測試了駐極后放置480和960 h的過濾效率，發(fā)現(xiàn)與剛駐極完相比過濾效率沒有大的變化，但隨著時間的延續(xù)，總的過濾效率呈下降的趨勢。因為駐極完后，過濾層表面儲存電荷，測試的樣品都放在密封袋中，過濾層與外界接觸的環(huán)境受限，故總的過濾效率衰減得不明顯;又因為同一面過濾層中，電荷分布不勻且不都是同一類的，在過濾層存放、移動、測試的過程中，有過濾層表面電荷發(fā)生中和或者聚集等情況，存放了一段時間后過濾效率變大也是正?，F(xiàn)象。

另外，盡管國產(chǎn)過濾層樣品通過同樣的駐極工藝，但過濾效率的提高沒有國外樣品大。這可從面密度角度來解釋，材料的面密度大，所形成的微孔較為致密，在同樣電荷密度下，微孔間的電場強度較大，從而駐極效果增強;也可從纖維直徑的角度來解釋，國外樣品的纖維細且分布均勻，單位面積中的纖維根數(shù)多，堆疊后形成的空隙更多更小，從而形成更多捕獲電荷的陷阱，增強駐極效果［7］。

圖6為阻力隨駐極時間的變化情況。由圖6可看出，隨著過濾層面密度的增加，阻力相應(yīng)增大。過濾層面密度增加，孔徑變小，厚度增加，導(dǎo)致阻力增大。同時也可看出，剛駐極完的過濾層對氣溶膠的阻力，與未駐極的相比有變大也有變小，但隨著放置時間的延長，阻力均上升。剛進行靜電駐極時，過濾層表面和近表面積聚了大量的電荷，面密度不均勻，電荷密度較大的地方，同種電荷排斥作用強烈，可能導(dǎo)致纖維之間的移動，表面形成較大的開放型孔洞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過濾層對氣溶膠的阻力相應(yīng)減小;而剛駐極完的過濾層上排列著電荷，當(dāng)電荷對氣溶膠的排斥作用大于電荷自身的排斥所形成的開放型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過濾層對氣溶膠的阻力總體上升。在放置過程中，過濾層表面結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，過濾層上分布著正負兩種電荷，不能長期穩(wěn)定存儲在過濾層中的電荷相互中和，導(dǎo)致電荷的排斥作用下降，纖維之間的移動下降，表面開放型結(jié)構(gòu)變?nèi)?。同時通過若干次過濾效率測試，氣溶膠有部分沉積在過濾層表面，綜合結(jié)果導(dǎo)致過濾層對氣溶膠的阻力上升。

圖6 阻力隨駐極時間的變化情況

3.2.2 駐極后過濾層靜電勢隨時間的變化

圖7 樣品靜電勢隨時間的變化情況

通過電暈駐極處理，聚丙烯濾料層中含有兩種電荷：一種是空間電荷;另一種是極化電荷［8］。在放置過程中，濾料的表面結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化。從圖7中看出，5種樣品隨著存放時間的延長，過濾層的靜電壓下降，但在0～10 h這段時間內(nèi)下降的幅度較為明顯，然后是緩慢地下降。過濾層中存在的兩種電荷不能長期穩(wěn)定存儲，聚丙烯材料有一定的導(dǎo)電性，并且在存儲過程中會受到外界濕度的影響，這不利于空間電荷的存儲，因此，存儲過程中空間電荷會逐漸減少。而極化電荷將一直存儲在濾料中，從嚴格意義而言，濾料的過濾效率會呈現(xiàn)下降的趨勢。

由圖7可看到國產(chǎn)樣品相比于國外樣品，通過靜電駐極后電勢較小，這是由于過濾層面密度的影響。對于1#、2#、3#樣品，隨著面密度的增加，過濾層通過靜電駐極的靜電勢逐漸上升。但由3#和5#樣品相同面密度的結(jié)果可知，面密度只是影響因素的一部分，關(guān)鍵還是在于過濾層纖維的直徑及其分布的集中程度等。因為國外樣品中纖維直徑小，分布均勻，所能負載的電荷能力強，故靜電勢高。

3.2.3 過濾效率與靜電勢的關(guān)系

未駐極過濾層的過濾效率為20%～35%，經(jīng)駐極后升到60%～88%，說明靜電駐極對過濾效率具有很大的影響。靜電駐極的原理是讓過濾層在高壓作用下帶上電荷，形成一定的靜電勢。過濾層所帶電荷量越多，所形成的靜電勢能越大，其所具有的過濾效率必定高。而過濾層所能負載的電荷量與其表面狀況、面密度、表面纖維直徑等有關(guān)。另外在駐極后960 h，過濾效率有下降趨勢，但數(shù)值上與剛駐極的過濾效率變化不大;而在駐極后0～5 h這段時間內(nèi)，過濾層靜電勢的下降幅度較為明顯，然后是緩慢下降。這是因為剛駐極完，過濾層上分布的電荷是不勻的，同時同一面上有可能分布不同的電荷，對剛駐極的過濾層，電荷間的中和以及電荷的消失會使過濾層靜電勢大幅度下降，但對總的正負電荷量來講變化是很小的，故過濾效率下降幅度不是很明顯。

4 結(jié)語

本文對國產(chǎn)熔噴過濾層材料與國外樣品進行了綜合性能測試分析，包括過濾層的厚度、表面形態(tài)、纖維直徑、面密度、透氣性、過濾效率、拉伸強度、靜電勢、孔隙率和孔徑等指標，得出過濾層的面密度、纖維直徑和分布是影響過濾效率的重要因素。

靜電駐極工藝對過濾層的過濾效率有著重要的作用，駐極后過濾層的過濾效率明顯提高，在數(shù)百小時內(nèi)過濾效率沒有大的變化，但隨著時間的延長，總的過濾效率呈下降的趨勢。過濾層阻力隨著時間的變化不大。過濾層的表面靜電勢在駐極后0～10 h下降的幅度較明顯，以后為緩慢下降。

比較而言，國外過濾層樣品中纖維直徑小且相對分布均勻，過濾層表面平整光滑，同時在相同面密度時國外過濾層具有較高的過濾效率和靜電勢、孔徑小且分布均勻等優(yōu)勢。對于國產(chǎn)過濾層的產(chǎn)品缺陷我們可以從生產(chǎn)工藝來考慮，要提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)要均勻，模頭整體加熱要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高，熔體細流經(jīng)模頭噴射時，模頭周邊的環(huán)境(溫度、濕度、壓力)要求穩(wěn)定。

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