談?wù)効谡譃V材及口罩的選擇

薛亞莉

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 213000）

空氣污染對(duì)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(huán)境中，需要選擇不同過(guò)濾性能的口罩。通過(guò)分析各過(guò)濾材質(zhì)及其相應(yīng)的專利申請(qǐng)來(lái)顯示各過(guò)濾材質(zhì)所對(duì)應(yīng)口罩的特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)口罩的選用提出一些建議。

1 機(jī)械阻擋型

機(jī)械阻擋類口罩通過(guò)機(jī)械阻擋將較大的顆粒物隔離在外，對(duì)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(fēng)沙，棉紗布口罩還可以防寒保暖，但幾乎沒(méi)有防塵、防菌效果，在流行病高發(fā)期和霧霾天，幾乎起不到防護(hù)作用。濾塵紙口罩與紗布口罩相比，優(yōu)勢(shì)在于便于塑形。

1946年，英國(guó)申請(qǐng)GB 614668A公開(kāi)了一種利用兩層紗布形成的技術(shù)方案。2014年，我國(guó)申請(qǐng)CN 204292258U也公開(kāi)了一種紗布口罩，可實(shí)現(xiàn)良好的遮擋效果。

2008年的韓國(guó)PCT申請(qǐng)WO 2010024527 A2公開(kāi)了一種利用濾塵紙作為過(guò)濾介質(zhì)的口罩，適用于某些弱污染工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。該申請(qǐng)將口罩本體材質(zhì)設(shè)置為4個(gè)過(guò)濾面板來(lái)增加灰塵過(guò)濾面積，利用濾塵紙較強(qiáng)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(jì)70年代開(kāi)發(fā)出的新型功能性吸附材料，它采用有機(jī)纖維為原料，經(jīng)碳化、活化后制成，具有多孔結(jié)構(gòu)、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)。常規(guī)的活性碳濾料可用于防酸性及有機(jī)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(yè)大學(xué)在2016年申請(qǐng)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(guò)對(duì)活性炭纖維進(jìn)行預(yù)處理及綠色環(huán)保的活化技術(shù)，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(wèn)題。

3 纖維吸附過(guò)濾型

纖維過(guò)濾材料可以細(xì)分為熔噴無(wú)紡布、靜電紡無(wú)紡布、熔噴納米纖維和靜電紡納米纖維4種。

熔噴技術(shù)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(xì)纖維的一種方法，它是目前工業(yè)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(shù)是使帶電荷的高分子溶液或熔體在高壓靜電場(chǎng)的作用下得到纖維狀物質(zhì)的一種方法。靜電紡納米纖維很難單獨(dú)收集，目前，靜電紡納米纖維主要以無(wú)紡布或膜的形式出現(xiàn)。典型的靜電紡絲纖維直徑為40～2 000 nm。

當(dāng)前，熔噴技術(shù)應(yīng)用比靜電紡絲技術(shù)更廣泛。用靜電紡絲法制備的非織造材料具有更細(xì)的纖維、更好的過(guò)濾性能[1]。

3.1 無(wú)紡布

無(wú)紡布具有過(guò)濾效率較高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉、呼吸阻力小等特點(diǎn)。無(wú)紡布口罩廣泛用于醫(yī)院、食品加工、礦山等需防塵、防菌的工作場(chǎng)所。

無(wú)紡布的密度越大，過(guò)濾效率越好。如美國(guó)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(guò)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(qǐng)WO 2011011083A2公開(kāi)了一種口罩濾料，其過(guò)濾層由熔噴纖維材料制成，過(guò)濾層設(shè)置為具有多個(gè)波峰P、波谷T的波浪形狀，表面積顯著增加，過(guò)濾效率提升。

3.2 納米纖維

納米纖維具有過(guò)濾性能高、空氣阻力小、孔隙率高、佩戴舒適等優(yōu)點(diǎn)，能很好地阻止化學(xué)毒氣、氣溶膠粒子透過(guò)，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(guò)濾和分離領(lǐng)域得到了廣泛使用。但其強(qiáng)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(guò)濾材料，比傳統(tǒng)的過(guò)濾器能更有效地排除超細(xì)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(chǎn)效率高，成本更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。H&V公司立足熔噴法工藝，開(kāi)發(fā)了新型熔噴納米纖維產(chǎn)品“Nanoweb”，將該熔噴納米纖維網(wǎng)用于呼吸器，其阻力可比常規(guī)熔噴產(chǎn)品降低30%～50%，從而改善呼吸器的氣流運(yùn)行狀態(tài)，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(guò)濾效率非常高。

武漢紡織大學(xué)申請(qǐng)的專利CN 105582744A公開(kāi)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(wú)紡布上，制得蠶絲納米纖維與無(wú)紡布的復(fù)合膜，可以有效地過(guò)濾掉150 nm以上的顆粒。無(wú)紡布不僅為蠶絲納米纖維提供了支撐，也避免了單獨(dú)使用蠶絲納米纖維強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，制備的蠶絲納米纖維可生物降解、環(huán)保。

江南大學(xué)申請(qǐng)CN 102920067A公開(kāi)了一種納米纖維防護(hù)口罩，在傳統(tǒng)的雙層非織造布制成的防護(hù)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(wú)夾心層時(shí)僅下降25 mm/s，而對(duì)大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌的菌懸液的過(guò)濾效率由27%左右提高至80%以上。

4 纖維過(guò)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(zhì)材料，依靠庫(kù)倫力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲，從而更有效地過(guò)濾空氣中的亞微粒子，這種帶電效應(yīng)還能起到抑制和殺滅病菌的作用[2]。

通過(guò)對(duì)駐極體的材料實(shí)施氣相沉積等工藝，能夠在較為緩和的生產(chǎn)條件下（例如較低的溫度）實(shí)施成本較低的規(guī)模化生產(chǎn)。

駐極體相關(guān)產(chǎn)品：國(guó)際上有預(yù)防病毒功能的3M手術(shù)口罩中使用了駐極體過(guò)濾材料，松下、海爾等在空調(diào)中采用駐極體空氣過(guò)濾器，對(duì)空氣進(jìn)行凈化殺菌，此外還有無(wú)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(qǐng)的發(fā)明專利CN 106110762A公開(kāi)了一種在基體骨架上設(shè)置帶有電荷的駐極體材料，通過(guò)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(guò)濾材料（如N95，N97口罩）的生產(chǎn)材料。

5 過(guò)濾膜

以無(wú)紡布為基布復(fù)合一層過(guò)濾膜，能使濾材的過(guò)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(guò)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(guò)濾膜等[3]。

武漢龍飛翔科技產(chǎn)品制造有限公司申請(qǐng)的專利CN 203873053U公開(kāi)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(guò)濾膜層和無(wú)紡布支撐層，有效地阻隔了PM2.5顆粒的進(jìn)入。PTFE材料具有不黏性，將進(jìn)入口罩的物質(zhì)截留在e-PTFE微孔過(guò)濾膜層表面以外而不黏附在薄膜表面，使口罩具有更長(zhǎng)的使用壽命。

此外，多種過(guò)濾膜復(fù)合形成濾材成為技術(shù)熱點(diǎn)，這種濾材在保證過(guò)濾性能的同時(shí)還可以兼采多種材料的優(yōu)點(diǎn)。如嘉興學(xué)院申請(qǐng)的發(fā)明專利CN 106108175A，其口罩同時(shí)含有生物質(zhì)高聚物微/納米纖維微孔膜層，F(xiàn)e3+，N共摻雜二氧化鈦微/納米纖維微孔膜層、生物質(zhì)高聚物微/納米纖維微孔膜層。

表1對(duì)上述各種濾材的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)，并介紹了市售各類型口罩的價(jià)格。

表1 各過(guò)濾材料口罩對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

各種濾材的口罩都有其適用的環(huán)境，在使用時(shí)需根據(jù)使用的環(huán)境，并綜合考慮過(guò)濾性能、呼吸阻力來(lái)挑選合適的口罩。就目前來(lái)說(shuō)，逐步惡化的空氣質(zhì)量對(duì)口罩濾材的過(guò)濾性提出了更高的要求，具備高過(guò)濾性、良好殺菌性及低呼吸阻力的新型濾材也是濾材領(lǐng)域重點(diǎn)研究的方向。