新冠肺炎防護口罩材料研究概述*

楊 帆，白艷紅

(西安交通大學化學學院，陜西 西安 710049)

2020年春節(jié)前夕，中國大面積爆發(fā)由新型冠狀病毒(2019-nCoV)引發(fā)的肺炎，新型冠狀病毒具有以下突出特征：即使在潛伏期仍具有較強的傳播能力、無癥狀感染者也具有傳染性、傳播方式多樣(主要通過呼吸道飛沫，眼睛、嘴或鼻的粘膜間接接觸，也存在氣溶膠和糞-口途徑傳播)和傳染能力強等，因此，對于防治新冠肺炎疫情，國家衛(wèi)生健康委員會疾病預防控局疫情防控組指出：佩戴口罩是預防傳染病最重要最有效的防控手段之一，可以有效降低感染新型冠狀病毒的風險。

1 醫(yī)用口罩的分類和使用

在抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情中，起重要作用的主要是醫(yī)用口罩，目前，醫(yī)用口罩主要采取多層非織造布復合的形式制備而成，分為內(nèi)、中、外三層，其中，外層是防水層，一般由紡黏或熱軋非織造布組成，材料的孔徑尺度較大，可以攔截尺寸較大的粒子，經(jīng)過防水處理可以有效防止外界的飛沫等進入口罩內(nèi)部；中間層是過濾層起過濾作用，由具有較強過濾作用的熔噴非織造布構成，大多采用靜電駐極工藝對其進行改性處理，可以過濾尺寸更加微小的粒子，是醫(yī)用口罩的核心部件；內(nèi)層是由普通紡黏、針刺或水刺法非織造布構成的吸濕層，在保證吸濕性的同時又兼具親膚性和舒適性。按防護等級遞增的順序，可以將醫(yī)用口罩分為一次性醫(yī)用普通口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護口罩等。

1.1 一次性醫(yī)用普通口罩

是用于覆蓋使用者的口、鼻及下頜，在普通醫(yī)療環(huán)境中佩戴，阻隔口腔和鼻腔呼出或噴出污染物的一次性使用口罩，對致病性微生物以外的顆粒如花粉等有阻隔和防護作用。

1.2 外科手術口罩

主要是臨床醫(yī)護人員在有創(chuàng)操作過程中佩戴的能阻止血液、體液和飛濺物傳播的醫(yī)用口罩。符合YY0469-2004《醫(yī)用外科口罩技術要求》標準的醫(yī)用外科口罩，其對細菌的過濾效率不低于95%、對非油性顆粒的過濾效率不低于30%，醫(yī)用外科口罩在生產(chǎn)過程中通過物理或化學方法殺滅所有微生物，以達到無菌的要求，比較常用的是環(huán)氧乙烷滅菌，其環(huán)氧乙烷的殘留量需低于10 μg/g。外科醫(yī)用口罩一般已經(jīng)足夠隔離口鼻分泌物，但在確保防護功用的前提下，該種口罩最多可以使用4 h，超過4 h就必須廢棄處理，不可以再循環(huán)使用[1]。

1.3 醫(yī)用防護口罩

醫(yī)用防護口罩一般提供給專業(yè)性醫(yī)護人員使用，可以預防呼吸道傳染性微生物傳播。醫(yī)用防護口罩分為內(nèi)、中、外三層，內(nèi)層一般是紗布或無紡布，中間層是超細聚丙烯纖維熔噴材料過濾層，外層是無紡布或超薄聚丙烯熔噴材料層。醫(yī)用防護口罩的疏水透氣性好、材料無毒無害。按照國家標準GB19083-2003《醫(yī)用防護口罩技術要求》，當空氣流量(85±2)L/min時，醫(yī)用防護口罩對直徑(0.24±0.06)μm氯化鈉氣溶膠的過濾效率不低于95%，因此，醫(yī)用防護口罩的中間過濾層對微小有害氣溶膠和微塵的過濾效果良好，總體過濾效率大于95%，防護等級高。

2 口罩的作用機理

口罩攔截空氣中顆粒的性能取決于口罩所用的材料的性能、顆粒的大小、表面電荷和空氣流速等，基于經(jīng)典過濾理論[2]，口罩過濾空氣顆粒的機制主要分為五種：

2.1 慣性撞擊

慣性是物體本身的一種固有屬性，當直徑大于1 μm的顆粒在空氣中以高流速運動時，在慣性沖擊作用下，纖維的高密度堆積特性會導致這些顆粒偏離空氣流線并附著在纖維上，進而達到過濾的效果，且顆粒質(zhì)量越大、速度越大，越容易被過濾[3]。

2.2 攔 截

當較細的顆粒與空氣一起流動并以低流速接近不規(guī)則排列的纖維表面時，纖維會攔截因范德華相互作用而形成的氣溶膠顆粒。但在高空氣流速時，被纖維表面攔截的顆粒會逃逸。攔截作用是去除直徑在0.1～1 μm范圍內(nèi)的顆粒的最重要的機制，且攔截效率隨顆粒尺寸的增加而增加。

2.3 布朗運動

當顆粒的直徑小于0.1 μm時，由于在空氣中被其他氣體分子不斷撞擊，其運動軌跡呈現(xiàn)無規(guī)則的布朗運動，易于被口罩的纖維表面所吸附，從而導致顆粒的擴散和沉積，且微粒越小，效應越強[4]。

2.4 靜電吸引

口罩材料中纖維帶電，在靜電相互作用中，由于庫倫相互作用和極化作用，帶電的氣溶膠顆?？梢哉掣降綆喾措姾傻睦w維表面且粒徑越小、質(zhì)量越輕的粒子越容易被吸引，在不增加壓力的情況下，靜電相互作用可以使顆粒更牢固地附著在纖維表面并提高去除效率。因此，經(jīng)常利用靜電相互作用來捕獲尺寸接近0.3 μm或更小的粒子[5]。

2.5 沉降作用

有害顆粒因自身重力而引起的直接沉降進而被濾料捕獲，顆粒質(zhì)量越大，越容易被捕獲。一般來說，在使用口罩時，幾種機制共同作用以防御有害微粒等。

3 口罩的材料

熱塑性聚合物制成的熔噴布和紡黏布是醫(yī)用口罩的主要材料，其中，熔噴布是醫(yī)用口罩最重要的過濾材料，本文主要介紹聚丙烯原料以及可降解綠色纖維原料的研究現(xiàn)狀：

3.1 基礎原料聚丙烯及其改性加工

聚丙烯(Polypropylene)，簡稱PP，是一種半結晶的熱塑性塑料，其耐熱性能、耐沖擊性能較高，機械性質(zhì)強韌，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定能有效抵擋多種有機溶劑和酸堿腐蝕，且成本低廉，是醫(yī)用非織造領域的優(yōu)質(zhì)原料更是醫(yī)用口罩的基礎原料。為了進一步提升聚丙烯的性能以提高醫(yī)用口罩的防護性，研究者們采取了多種方法對其進行改性處理。孟慶杰等[6]將活性炭、二氧化鈦、聚丙烯等物理共混，經(jīng)熔噴紡絲制備出活性炭負載二氧化鈦改性聚丙烯熔噴無紡布，其吸附性能明顯增強。歐璐等[7]通過熔融共混法成功制備了結構疏松的纖維網(wǎng)狀二氧化硅氣凝膠/聚丙烯熔噴非織造材料，與單一聚丙烯熔噴非織造材料相比，其過濾效率提升了約50%且透氣性能有所增強。劉妙崢[8]在PP中摻雜有機添加劑聚四氟乙烯(PTFE)制備出PTFE/PP熔噴空氣過濾材料，有效改善了PP濾材的過濾性能，并在前期研究基礎上，制備了氟碳乳化劑FC6201改性PTFE/PP熔噴過濾材料，其過濾效率更為優(yōu)異，最高可以達到92.9%。

隨著生產(chǎn)工藝的成熟和人民對生命健康需求的日益提高，研究者們越來越關注醫(yī)用口罩用非織造材料的抗菌性和抗病毒性。來宇超等[9]首先通過共沉積技術將聚多巴胺(PDA)和聚乙烯亞胺(PEI)沉積到PP上改性制備P-PP熔噴材料，再借助微波輔助法將銀/還原氧化石墨烯(Ag/rGO)負載到P-PP上，制備出Ag/rGO-P-PP熔噴非織造復合材料，并以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為研究對象考察其抗菌性，結果發(fā)現(xiàn)，Ag/rGO-P-PP對兩種菌種的抑菌率均大于99.99%，該研究為PP熔噴非織造材料的多功能化改性提供了新思路。

3.2 環(huán)?？山到饩G色纖維原料

由新型冠狀病毒(2019-nCoV)引發(fā)的肺炎，自2020年春節(jié)前夕大面積爆發(fā)至今，醫(yī)用口罩的使用量和需求量持續(xù)增長，與此同時，產(chǎn)生了大量的廢棄口罩，聚丙烯原料的及時降解存在一定的困難，進而造成嚴重的環(huán)境污染。從綠色環(huán)保理念出發(fā)，研究者們將醫(yī)用口罩材料的目標鎖定在綠色環(huán)保、可再生且可降解的天然纖維素及其衍生物、生物基聚合物和合成高分子等領域，例如甲殼素、聚乳酸(PLA)、Lyocell纖維、Viloft纖維等已逐漸用于生產(chǎn)非織造材料。

Lyocell纖維的中文商品名稱為“天絲”或“木漿纖維”等，是將木漿溶于N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)溶劑體系，使木漿溶解成粘稠的紡絲液，不經(jīng)化學反應，再通過干濕方法紡制而成的新一代再生纖維素纖維，具有和天然纖維相似的耐酸性、耐氧化還原性能。Lyocell纖維在自然界中可完全降解轉化為CO2和H2O，從生產(chǎn)到徹底降解全程無污染，被稱為21世紀綠色纖維。Lyocell纖維在生產(chǎn)過程中完好的保存了原有的木質(zhì)纖維素晶體，因此，Lyocell纖維分子結構中含原纖明顯，結晶度高，表現(xiàn)出較高強力特別是濕強力、具有良好的吸水性和透氣性等優(yōu)異特性，因而在非織造布、工業(yè)濾布等方面有著廣泛的應用[10]。

隨著科學技術的不斷進步和Lyocell纖維研究的不斷推進，研究者們越來越關注Lyocell纖維的功能化改性，如抗紫外改性、阻燃改性、抗菌改性等。纖維素分子具有親水基團，適宜于微生物的繁殖和生長，而Lyocell纖維制品廣泛用于生產(chǎn)衣物和醫(yī)療紡織品等，因此，具有抗菌性能的Lyocell纖維的開發(fā)具有重要意義和良好的應用前景。Ibrahima采用N2-等離子體對Lyocell纖維進行預改性處理，從而在纖維表面修飾生成新的-NH2活性位點，再將納米銀顆粒吸附在改性后的纖維活性位點上，制得的功能化纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抗菌活性[11]。Janjic[12]先使用高碘酸鉀氧化Lyocell纖維以增加醛含量形成二醛纖維素，纖維素的醛基與殼聚糖的游離氨基反應，從而將殼聚糖接枝到纖維素上，制備出殼聚糖包衣的Lyocell纖維，實驗結果表明，該種纖維能夠有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，且對金黃色葡萄球菌具有更強的殺菌作用。王兆明等[13]分別將兩種有機小分子抗菌劑(有機胍類和季銨鹽類)和兩種無機抗菌劑(無機納米粉體)加入Lyocell溶液中并紡絲，結果表明，添加了抗菌劑的幾種纖維對不同的菌種如革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌等分別產(chǎn)生了不同程度的抗菌性，當添加2%(質(zhì)量分數(shù))的有機硅季銨鹽類抑菌劑時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達到100%和88%。

聚乳酸纖維(Polylactic Acid Fiber)簡稱PLA纖維，是一種新型的可生物降解和生物相容的綠色環(huán)保型纖維，其制備原料為玉米、小麥、甜菜等富含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品，先將農(nóng)產(chǎn)品原料發(fā)酵制成乳酸，經(jīng)縮合和聚合反應制成聚乳酸，再與耦合劑作用制成高分子量聚乳酸，最后經(jīng)化學改性等使其纖維化得聚乳酸纖維。聚乳酸纖維經(jīng)微生物作用最終可分解成CO2和H2O，燃燒時，不會產(chǎn)生有毒氣體，不會污染環(huán)境，且原料可種植，因此，聚乳酸纖維是一種可再生、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型綠色纖維。邢劍等[14]以聚乳酸樹脂為原料，聚丙烯熔噴紡粘非織造材料為基布，通過溶液靜電紡絲技術在聚丙烯非織造材料上直接進行靜電紡絲接收，實驗中改變紡絲電壓和紡絲時間以調(diào)節(jié)靜電紡納米纖維氈的層數(shù)和纖維直徑，成功制備出梯度結構復合材料，再對制備的復合過濾材料進行過濾性能測試，結果表明，實驗制備的復合材料具有優(yōu)異的過濾性能，對0.3 μm和0.5 μm顆粒的過濾效率最高分別達到92.29%和98.86%。

PLA熔噴駐極體織物因其優(yōu)異的性能已成為非常具有吸引力的過濾材料而應用于空氣過濾器。其過濾性能取決于駐極體產(chǎn)生的靜電效應，如何改善駐極體性能進而提高其過濾效率一直是一個挑戰(zhàn)。Zhang等[15]通過電暈充電技術形成了三種具有不同形態(tài)和晶體結構的熔噴PLA駐極體，并研究了其過濾性能，結果表明，形成駐極體后，三種熔噴樣品的空氣過濾效率均大大提高。肖愛菊[16]以PLA為基體，聚3-羥基丁酸酯(PHBV)為增韌材料，并添加一定量的氧化石墨烯(GO)以改善PLA和PHBV的相容性，采用微型熔噴機制備出PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料，測試結果表明，與純PLA熔噴材料相比，PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料的過濾效率較大且對金黃色葡萄球菌有抑菌作用，為PLA/PHBV/GO熔噴非織造材料在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應用提供參考。蔡誠等[17]以納米SiO2為駐極體，經(jīng)表面改性與聚乳酸復合，先制備出納米SiO2/PLA復合熔噴切片，再通過工業(yè)級熔噴生產(chǎn)線制備出納米SiO2/PLA復合熔噴非織造材料，由于駐極體納米SiO2的添加，使得PLA非織造材料的過濾機制除了布朗運動、攔截作用、慣性碰撞、沉降作用外，還大大加強了靜電吸附作用，結果表明，與純PLA相比，納米SiO2駐極體的加入有助于PLA過濾效率的提高，過濾效率最高達到99.69%，體現(xiàn)出巨大的應用潛力，為未來PLA纖維的規(guī)?；a(chǎn)和應用提供了依據(jù)。

靜電紡納米纖維具有吸附能力強、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)異特性，因此，對微納米顆粒的捕獲能力較強，在空氣過濾領域有著廣闊的應用前景，但靜電紡納米纖維的強力較低、易因顆粒物較大阻塞孔徑而失效[18-19]，因此，靜電紡納米纖維難以單獨用作過濾材料，通常以非織造過濾材料為基布與靜電紡納米纖維復合，從而制備高過濾性能的復合材料。Liu等[20]將少量的聚偏二氟乙烯(PVDF)摻入到醋酸纖維素(CA)中，通過靜電紡絲技術，成功制備出CA/PVDF復合納米纖維膜，為增強復合膜的機械強度，采用簡單有效的溶劑蒸汽誘導的方式進行交聯(lián)，實驗結果表明，通過電紡絲后再進行溶劑蒸汽誘導交聯(lián)制備的納米纖維膜具有巨大的分離和過濾應用潛力。當今世界，顆粒物污染和呼吸道傳染性疾病的傳播已經(jīng)為全球經(jīng)濟和公共衛(wèi)生造成重大負擔，研究者們竭盡全力尋求不同的路徑以解決該類問題，Zhang等[21]采用電子沉積技術制備出超輕、厚度極低且機械性能優(yōu)異的自組裝納米網(wǎng)絡結構的過濾材料，對PM2.5的過濾效率高達99.61%，對PM0.3的過濾效率也能達到85.6%，可以用作剛性固體或軟油PM甚至是生物危害性病原體的多功能過濾器，該項工作為設計和開發(fā)用于各種過濾和分離應用的高性能纖維材料提供了靈感，也有望于應用于個人防護和醫(yī)療設備等方面。

4 結 語

新型冠狀病毒肺炎疫情在全球的蔓延，對防護口罩的生產(chǎn)能力和新型口罩材料的研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)，環(huán)保降解、可重復利用且舒適度高的口罩材料是未來研究的方向，此外，口罩與人工智能技術的融合將是研究的趨勢和重點。