國內外防護用口罩進展分析

殷曉晴,任凌蕓,姜雅雯,于雅靜,顧書政,徐 陽

(江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫214122)

目前,我們使用的大多數(shù)防護口罩原料為非織造材料, 具有結構孔徑小、孔隙率高、過濾效率高、價格低等優(yōu)點,因此使用范圍廣泛[1]。近年來,尤其是新冠疫情爆發(fā)后,口罩使用量和原料消耗量劇增,增加了對環(huán)境的負擔,市場也對口罩的過濾性能和佩戴舒適度等提出了更高的要求。隨著疫情防控常態(tài)化,口罩成為必備日常用品,消費者增加了對口罩多功能性的需求。高效的性能要求也推動著現(xiàn)代防護用口罩非織造材料在原料和技術方面的不斷探索和改進,開發(fā)更加環(huán)保高效的纖維原料和更加成熟穩(wěn)定的技術將是大勢所趨[2]。

1 口罩重復利用

普通的醫(yī)用口罩走正常醫(yī)療廢物處理程序即可,但在后疫情時代,口罩成為使用量極大的日常用品,即使有專用的口罩回收垃圾桶,后續(xù)處理也還未規(guī)范。聯(lián)合國環(huán)境署曾表示,根據(jù)歷史經驗,將有75%的廢棄口罩進入填埋場或海洋,這不僅會造成環(huán)境污染,也會給旅游業(yè)和漁業(yè)等相關產業(yè)帶來約400億美元的經濟損失。據(jù)海洋保護組織Oceans Asia發(fā)布的最新報告,2020年,至少有15.6億個口罩流入海洋。一次性口罩不可降解,需要400多年才能完全分解,還有可能傳播病毒。

1.1 口罩耐洗性研究

目前防護用口罩大多使用的是非織造材料,通過靜電作用吸附病毒和微小顆粒物質,水洗后靜電效果減弱,達不到防護的作用,所以口罩的耐洗性研究被認為是無稽之談。但從資源再利用的角度來看,口罩的可水洗性研究極具突破性意義。

山東追信數(shù)字科技有限公司的張信敏[3]使用成體艾草青綠莖桿、含硅酸鈉溶質10%的泡花堿水溶液、黃腐酸粉末、四氧二鐵酸鈷、毛竹、質量分數(shù)8%和10%的硝酸錫溶液、溶質質量濃度8%和10%的檸檬酸銻溶液、納米二氧化鈦粉末、質量分數(shù)20%的泡花堿溶液為原料,經植物纖維制取、纖維羥化編紡成布、纖維布酸化和表面凝膠化吹孔處理,制成了一種可以被多次殺菌消毒仍保持原有性質且耐高溫的纖維層,即水洗之后仍保持較高的過濾性能。將該纖維層作為口罩的過濾層,可以制造出抗菌性能良好、可循環(huán)使用的口罩。此外,由于銀離子可直接破壞病毒的形態(tài)結構,當病毒失去活性后,銀離子能夠繼續(xù)保持破壞病毒結構,繼續(xù)進行抗菌,因此,楊力平[4]利用這種特性,制備出一種濾芯,載銀離子量為0.01~0.05 mg/c m2,厚度為1~8 mm,兩面有針刺PET纖維加固,超聲洗50次載銀基本無脫落,多次水洗消毒后使用不降低對病原微生物滅活功效,本濾芯經SGS檢測,無毒、無味、無副作用、無耐藥性、抗藥性,能在5~20 min使病毒失活,可滅菌達650多種,使口罩濾芯粘附的病毒無變異,不成為二次污染源。

1.2 延長口罩使用時間

防護用口罩的耐洗性研究仍然處于實驗室階段,且不適于醫(yī)護人員等特殊人群使用。提高過濾效率,延長口罩的使用時間是目前應用最廣泛的重復利用口罩的方法,可以有效減少資源浪費。孫曄等[5]將改性熔噴聚丙烯纖維作為材料的基體,以噴涂共混的方式加入納米級二氧化硅、二氧化鈦以及電氣石混合粉體,制備得到了復合型二氧化硅氣凝膠改性熔噴聚丙烯殺菌防護材料,具有標準的納米三維網(wǎng)絡結構(納米顆粒直徑在20~50 n m,孔徑直徑在10~100 n m),因此具備良好的過濾性能。

東華大學劉妙崢、吳海波等[6]為延長聚丙烯(PP)熔噴材料表面靜電荷的存儲時間,通過有機雜化方法來提高材料存儲靜電荷的能力。選用聚四氟乙烯(PTFE)超微粉與PP切片以一定比例混合造粒,經熔噴成型工藝獲得非織造材料,并采用外置式電暈駐極技術使材料表面帶有靜電荷,如圖1、圖2所示。試驗結果顯示,添加PTFE可有效提高熔噴PP非織造材料存儲靜電荷的能力,且當PTFE質量分數(shù)為0.1%時,材料表面靜電壓最高,靜電荷量衰減最慢,過濾效率最高,濾效穩(wěn)定性最好。

圖1 電暈充電原理

圖2 電暈放電駐極原理

利用靜電紡絲法制備的納米纖維空氣過濾材料具有纖維直徑小、纖維膜孔徑小等結構特點[7],可對細微顆粒有效攔截,大大增加了材料的過濾效果[8]。提高靜電紡絲納米纖維膜的過濾效能,可以通過改變外加電壓來實現(xiàn)。馮雪等[9]采用靜電紡絲技術制備了聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜,試驗結果表明:PAN紡絲液質量分數(shù)為12%,紡絲電壓為20 k V時,所得纖維粗細均勻,纖維膜厚度為35μm時,纖維膜過濾效率高達99.24%。Amin等[10]發(fā)現(xiàn)錦綸6聚合物溶液電紡膜的平均孔徑和孔徑分布對膜的壓降和過濾性能有顯著影響,可以改變靜電紡絲過程中的外加電壓,通過多層納米纖維結構來控制孔的大小,優(yōu)化過濾效果。程博聞等[11]以DCM為溶劑,四丁基氯化銨(TBAC)為添加劑,利用靜電紡絲技術一步法制備了樹枝狀聚乳酸(PLA)納米纖維膜,探討了溶劑種類、TBAC添加量和紡絲電壓對纖維膜形貌結構和性能的影響。TBAC的加入可有效提高纖維膜的親水性,且樹枝狀結構中主干和枝干的協(xié)同作用可有效提高纖維膜的力學性能;此外,樹枝狀結構顯著提高了纖維膜的過濾性能,當膜厚度為20μm時,纖維膜的過濾效率達99.89%,阻力約為96.08 Pa,具有優(yōu)異的空氣過濾性能。

2 口罩舒適度改良

如今,佩戴口罩成為進入公共場所的硬性要求。在密閉場所中長時間佩戴口罩會給人帶來悶熱潮濕、呼吸困難等感覺,而長期密不透風地佩戴口罩,皮膚會變得發(fā)紅又敏感,形成“口罩臉”,尤其是皮膚敏感的兒童。此外,用于個體防護的空氣過濾材料多處于人體呼吸產生的微環(huán)境中,大量呼出的水蒸氣會堵塞過濾材料的孔結構,影響口罩的過濾效果。如何解決上述問題,也是人們熱議的話題之一。

2.1 特殊原料

采用涼感纖維織造而成的涼感面料作為口罩的內層,可以大大降低佩戴口罩導致的空氣不流通,減少人體悶熱感,增加佩戴口罩的舒適性。上述提到的涼感纖維包括殼聚糖、海藻酸鹽、纖維素及其衍生物、明膠、蠶絲和構成所述的涼感纖維的合成高分子材料中的至少一種,構成所述的涼感纖維的合成高分子材料包括聚酯、聚酯共聚物、聚酰胺等十幾種聚合物中至少一種[12]。此外,以彈性聚合物為原料,可以生產出彈性非織造布,用其織造的口罩與目前常用的口罩相比,密閉性更好,還可以省去口罩上的鼻梁條,增加人體佩戴口罩時的舒適感。目前市面上已有許多公司開始研發(fā)關于此方面的織造技術,如Ide mitsu Kosan公司以丙烯和丁烯為原料,開發(fā)了一種新型的彈性聚烯烴L MPO;美國Exxon Mobil Chemical公司開發(fā)了牌號為V M2320和VM2330的特種彈性體Vistamaxx,可直接用熔噴法生產彈性布。熱塑性聚氨酯(TPU)等亦可用于生產彈性非織造布[13]。

2.2 防水汽處理

持續(xù)佩戴濕潤的口罩會使口罩覆蓋的皮膚長時間處于溫暖潮濕的環(huán)境中,這時可能會出現(xiàn)痘痘和旺盛的油脂分泌,增加人體佩戴口罩的不適,降低口罩的防護效果。李淑芳等[14]設計了一款新型的能夠防水汽的口罩,口罩的里層采用了環(huán)保吸濕的PET非織造布且布面上分布有均勻的網(wǎng)孔,面層上也設置均勻的軋點。以上設計不僅可以使織物更加柔軟,還可以讓口罩更加透氣耐用,且防霧和防水汽性能提高,大大提高了佩戴口罩的舒適度。

2.3 自動調節(jié)口罩內舒適度

傳統(tǒng)防霧霾口罩只具有單純的防霧霾功能,冬日使用時,由于散熱散濕性能較差,會造成眼鏡起霧等問題。張柏洋等[15]提到了一種主動送風呼吸的新型智能口罩,其采用外部電動風機強制送風系統(tǒng),能有效降低使用者的呼吸負荷,達到提升舒適性和用戶體驗感的目的。目前市場上大多數(shù)的智能口罩在保證外殼和濾芯舒適性的同時添加電動送風系統(tǒng)或排氣閥等,增加透氣性,減少悶濕感,從而調節(jié)口罩內的舒適度[16]。

3 口罩多功能化發(fā)展

無論是居家,還是室內外公共場所,人人都有可能接觸到各種細菌、病毒,甚至是攜帶細菌病毒的氣溶膠。目前市場上的絕大部分口罩只能阻隔細菌、病毒,不能實現(xiàn)真正的殺菌消毒,如果使濾材或口罩罩面材料具有一定的抗菌性能,則可以有效抑制細菌的繁殖和生存,避免細菌感染,從而降低風險。另外,阻燃、防靜電、耐洗、耐氧化等性能也影響著口罩的整體性能,這就給市場提出了新的要求:開發(fā)出具有一定功能性的口罩濾材。

3.1 抗菌處理

為延長口罩的使用時間,提高口罩的抗菌效果和抗菌時間,Botel ho Cláudia M等[17]研制出了一種新型、易加工、價格低廉的具有抗菌特性的錦綸織物涂層,這種新型涂層織物可以成功用于一次性口罩,達到延長口罩有效佩戴時間的效果。韓曉浩等[18]通過制備抗菌無紡布作為口罩過濾層來制備可重復利用的口罩。具體方法是將N-羥甲基丙烯酰胺水溶液和過硫酸鉀水溶液加入硝酸銀水溶液進行攪拌加熱反應后得到抗菌處理液,而后對熔噴無紡布進行浸漬處理。浸漬結束后取出、烘干,得到抗菌熔噴無紡布。制成的口罩抗菌效果更好,抗菌時間更長,從而提高了使用次數(shù)和使用時間,也降低了處理口罩垃圾污染的成本。經研究表明,納米材料對醫(yī)用口罩抗菌性的提升有很大幫助。北京航材院科研人員[19]在普通口罩的基礎上,創(chuàng)新應用了新型石墨烯聚丙烯熔噴布作關鍵過濾層。由于石墨烯及其衍生物具有廣譜抗菌抗病毒能力優(yōu)異、生物相容性較好、制備工藝簡單等優(yōu)點,新型石墨烯口罩抗菌性更強,透氣性更好。試驗表明,新型石墨烯口罩的使用時間超過48 h,是傳統(tǒng)口罩的12倍以上,且新型石墨烯口罩在連續(xù)佩戴48 h后的過濾效能僅降低4%,與周圍介質隔離,進一步起到抑菌作用。廣西紡源醫(yī)療科技有限公司[20]通過使口罩的中間層吸附氧化石墨烯——銅銀納米復合物以及黃芩、丁香、白術、魚腥草等中草藥液進一步提高口罩的過濾殺菌能力。東華大學劉吉娜[21]將合成納米銀溶液和水性聚氨酯乳液按不同比例混合均勻,制備出新型納米銀抗菌整理劑,再利用節(jié)能環(huán)保的紫外光(UV)固化技術將抗菌整理劑固化到聚丙烯無紡布上,使得具有抗菌性的納米銀顆粒牢固附著在織物表層,賦予織物持久長效的抗菌性。深圳君能高芯科技有限公司[22]使用兩個相向疊置的由滌綸制作而成的復合保護層縫合制作口罩本體,并通過霧化器將抗病毒助劑和抗菌助劑滲透至復合保護層的纖維結構中,使得該口罩具有抗病毒抗菌功能,且該復合保護層防水透氣性強,面部不容易悶汗,適合長期佩戴。

此外,隨著科技進步,光觸媒技術目前已經在抗菌口罩領域得以應用,其抗菌原理為:納米級Ti O2在光照后可產生氧化能力極強的氫氧基,對細菌、真菌孢子、病原體的細胞壁、細胞膜和DNA雙鏈等有直接破壞作用,達到抗菌效果。太倉斯迪克新材料科技有限公司[23]公開了一種含有納米二氧化鈦的納米級光觸媒功能層的醫(yī)用口罩,其在上層棉紗和下層棉紗之間形成的容納腔中填充了光觸媒納米粉末,能夠實現(xiàn)有效殺滅細菌和病毒,除異味,防治花粉、粉塵及空調過敏,抑制傳染性病毒等功能[24]。

3.2 特殊用途及無線技術應用

口罩以過濾空氣為其主要作用,隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高,市場也對口罩提出了其他要求,功能多元化的口罩應運而生。閩江學院[25]以無紡布作為基底,將其放在等離子體清洗機中處理3 min,使無紡布表面帶有負電荷,并在基底的表面制備復合層,使口罩性能趨于多功能化。其中,復合層包括依次設置的聚乙烯亞胺層、氧化鋅層、聚乙烯亞胺層和氧化石墨烯層。通過上述制備方法制得的抗菌織物及口罩,不但具備抗菌效果好、安全性高、能祛除異味等優(yōu)點,還具有吸附粉塵、防紫外線的功能。

隨著科技發(fā)展,智能口罩不僅具有智能送風調節(jié)內部舒適度的功能,當口罩與無線技術結合時,智能口罩還可以為人們的生活帶來便利。徐磊等[26]通過開發(fā)一款防霾、環(huán)保、可更換濾芯、數(shù)據(jù)顯示、根據(jù)空氣質量情況對高敏感人群提供醫(yī)療建議等智能功能的智能口罩得以實現(xiàn)“霧霾地圖”的設想。該口罩通過口罩內的智能芯片,對當前環(huán)境下的霧霾指數(shù)進行檢測并通過無線通訊的方式,分享該數(shù)據(jù)至應用后臺,計算機再結合官方監(jiān)控數(shù)據(jù),制作出一份實時動態(tài)的霧霾地圖。該霧霾地圖不僅能使用戶通過手機獲取該地圖了解當前所處環(huán)境的空氣質量,同時還可以為用戶提供口罩換芯提醒、空氣質量最佳通行路線推薦等建議。此外,日前雷神RAZER在國際消費類電子產品展覽會上推出了一款透明智能口罩,該產品不僅可以使得周圍人看到佩戴者的面部表情,還具有通過內置的麥克風和音頻放大器提升佩戴者的說話聲音、在黑暗時燈光系統(tǒng)自動激活、對通風器自動紫外消毒以及支持無線充電等功能。

4 結論與展望

目前,防護用口罩的研究主要是圍繞可重復利用、提高舒適度和增添附加價值等方面展開,且由于新冠肺炎疫情長久態(tài)勢的沖擊,口罩的可重復利用是目前大熱的話題,但在市場上和業(yè)內褒貶不一。

防護用口罩的未來發(fā)展將主要圍繞幾點:

(1)疫情使口罩使用量劇增,在可持續(xù)發(fā)展觀的推動下,口罩的可重復利用勢必成為趨勢,如何平衡重復使用次數(shù)和過濾效果的降低程度,是防護用口罩面臨的最大難題。

(2)《兒童口罩技術規(guī)范》(GB/T 38880-2020)首次對兒童口罩的各項性能指標進行了規(guī)定,促使兒童口罩依據(jù)該標準在口罩技術層面做出改善。由于兒童的肌膚較成人敏感,兒童口罩生產企業(yè)也應針對兒童口罩舒適度指標進行優(yōu)化。

(3)近年來,國家對個人安全防護的重視程度的加強以及塵肺病等職業(yè)病的發(fā)病率增長,使得專業(yè)性口罩的市場空間巨大。

(4)互聯(lián)網(wǎng)+和5 G的高速發(fā)展使防護用口罩的智能化成為可能,比如具有通訊、發(fā)出求救信號、衛(wèi)星定位等功能的智能口罩如果能夠降低成本并實現(xiàn)量產,將成為醫(yī)生、礦井工人等特殊職業(yè)人士的福音。