高性能非织造布在面部防护过滤介质上的最新应用
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摘要：防护面罩是个人健康防护及特殊工种作业人员安全防护的重要工具，大量高性能非织造布应用于此。本文重点介绍了熔喷非织造布、纺粘非织造布以及聚合物纳米纤维的技术特征及在外科手术面罩、呼吸器过滤介质等面部防护装备中的应用现状，并详细分析了现阶段全球个人面部防护装置市场的发展形势以及我国个人防护装备行业面临的机遇和挑战。
关键词：面部防护装置；过滤介质；高性能非织造布；熔喷非织造布；纳米纤维
中图分类号：TS176 文献标志码：A Latest Application of High-performance Nonwovens to Facial Protective Filtration Media
Abstract： Protective facemask is an important part of personal protective equipment， and lots of highperformance nonwovens have been used in this industry. Technique features of meltblown nonwovens， spunbond nonwovens and nanofiber which are used in protective facemask are introduced in this article， as well as the latest applications of the above three to surgical mask， dust respirator and other facial protective equipments. The developing trend of personal facial protective equipment at home and abroad is also discussed.
Key words： facial protective equipment； filter media； high-performance nonwovens； meltblown nonwovens； nanofiber
1 前言
依据世界卫生组织（WHO）的研究报告，目前全球每年由空气污染造成的死亡人数在200万以上。中国环境规划研究院关于我国空气污染的评估报告则称，中国内地空气污染面积已占国土总面积的1/4，每年由此导致的死亡人数约为35万 ～ 50万人。
可吸入颗粒物不仅日益恶化着公共环境，更严重威胁着人们的健康。因此，欧洲要求空气中PM 10可吸入颗粒物的浓度，即直径10 μm或更低的颗粒物，在24 h内以平均值计不得超过50 μg/m3，全年测试段要低于40 μg/m3，PM 2.5年平均值则不得超过25 μg/m3。
北美地区对空气质量的要求也十分严格，24 h内PM 2.5的颗粒物要求在35 μg/m3以内，PM 10指标为50 μg/m3，年均要求PM 2.5颗粒物不超过10 μg/m3，PM10颗粒物在20 μg/m3以内。
WHO对可吸入颗粒物控制提出了建议性指标，即24 h时间段PM 2.5为25 μg/m3，PM 10指标为50 μg/m3；以年计PM 2.5不超过10 μg/m3，PM 10为20 μg/m3。
过去10年间，面对持续恶化的公共环境和不断出现的传染病疫情，诸如B型肝炎、艾滋病、禽流感各种变异病毒以及呈蔓延之势的超级细菌（MRSA）带来的危害，一些空气过滤材料生产商如北美Foss公司等适应市场需要，开发了新一代呼吸器和外科手术面罩用的抗霉菌系列“Fosshield”过滤材料，受到了市场的普遍青睐。
目前市场上的个人面部防护装置和外科手术面罩性能有所不同，表 1 为部分面部防护装置和不同过滤介质的使用性能比较。大量研究表明，医用口罩、外科手术面罩和护理口罩并不是为预防空气中的有害颗粒物而设计的，这类口罩不能替代经过认证的呼吸防护装置。
2 面部防护装置使用的高性能非织造布过滤材料
2.1 熔喷非织造布在面部防护制品上的使用
熔喷非织造布作为过滤介质在面部防护制品上已广泛使用，如美国H&V公司呼吸器选用的滤材中，N95面罩所使用熔喷非织造布过滤材料的克重包括30、40和50 g/m2等 3种，N99使用了60和70 g/m2两种，N10则使用了90 g/m2的滤料。该公司一次性呼吸器制品中熔喷材料的利用亦十分普遍，如FFP1型产品上使用熔喷材料的克重包括30、50和130 g/ m2等 3 种，FFP2系列产品使用的克重为86 g/m2，FFP3系列使用的克重为125 g/m2的产品则采用熔喷和纺粘复合过滤介质。而在该公司可重复使用的呼吸器产品中，FFP1-3系列采用克重较高的熔喷材料，如克重为150、230和310 g/m2的产品。
近年来，功能性熔喷过滤材料的开发和应用受到了很多生产厂家的注意，如Vogmask面罩即选用聚丙烯（PP）微细旦熔喷非织造布作过滤介质的选材。
上海NYK合资工厂生产的FSC-F-99E呼吸器，过滤介质选用 4 种非织造布材料复合而成：第 1 层使用非织造布，第 2 组分为抗菌非织造布，第 3 层选用熔喷非织造布为过滤层，第 4 层为支撑层，该层在设计上具有可重复再用功能。FSC-F-99E呼吸器取得了Nelson实验室的认证，初始气流阻力为114.7 ～ 123.5 Pa，过滤效率可达99.882% ～ 99.928%。以下就此两类用作面部防护的新型滤材作简要介绍。
（1）熔喷/短纤维纤维网复合材料过滤介质
研究人员选择了具有多孔隙结构的非制造布材料，即采用熔喷非织造布和短纤维网，通过特定的空气网络方法制得的多孔隙复合型材料。熔喷材料与短纤维网经空气网络处理后，过滤性能得到提升。短纤维组分的添加可明显改善过滤介质的抗压实性能，提高过滤和抗堵塞能力，而熔喷纤网中的中旦纤度组分可有效屏蔽细微粒子。表 2 为多孔隙复合过滤介质两种纤维材料的技术特征。
该呼吸器使用的熔喷纤维网通常由两种纤度各异的纤维组成，其中单丝直径小于10 μm的网约占30% ～ 50%，中旦网材的单丝直径大于10 μm。细旦和中旦两组分网材可以采用同种或不同种聚合物。短纤网可选择的纤维品种包括PET、PP、PA或PE，纤维的线密度为 4 D和 6 D，卷曲度10 ～ 30个/ cm，热粘合纤维的添加比例为50/50或30/70。
多孔隙非织造布过滤材料的复合工艺是在专门的装置上完成的。熔喷非织造布的纺丝成形采用双螺杆挤压机配置，以提供两种规格或两种不同聚合物的熔喷纤维网。两种熔喷网复合采用空气网络工艺，以增强细旦与中旦纤维网间的抱合性能。在卷取前和短纤网复合亦采用空气网络方式，其后卷取成形。使用多孔隙非织造布复合结构过滤介质的呼吸器，过滤性能良好。
（2）功能性熔喷非织造布过滤材料
大量的研究成果显示，对熔喷纤维网进行等离子处理，可以赋予纤维材料以持久的亲水性、良好的过滤/分离性能和可渗透性。Loads技术大学的研究团队在面部防护装置过滤材料的研究中，选择克重为80 g/m2、网厚度为2.12 ～ 5.82μm的PP熔喷网材进行低温冷态等离子处理（LPCP），明显改善了熔喷过滤介质对固体颗粒物（粉尘、烟雾等）和液态颗粒物（雾）的屏蔽性能。在检测评定中，依据EN143/2000/ A1.2006的规定，经过等离子处理的熔喷过滤介质的防护性能级别可由P1级提高到P2级。
通过添加改性剂即添加各种静电剂的方法，以提高驻极熔喷过滤材料对颗粒物捕集能力的研究亦表明，使用熔融指数为0.34 g/10 min的PP原料，当熔喷纤维网的克重为90 g/ m2，网的单丝直径为740 nm时，其配置的过滤介质面罩对在0.5 μm颗粒物环境下作业的人员可提供有效的保护。
2.2 细旦纺粘非织造布过滤介质
分裂纺（Nanoval）非织造布亦被称为最细的纺丝成网产品，利用该设备纺制的PP网材，单丝的平均直径可以控制在 3 ～ 10 μm范围内。Nanovia公司开发的新一代网材，即“Nanolies”的单丝直径可达400 nm，应该说分裂纺工艺是生产亚微米-纳米纤维的重要方法之一。
近年来，Nanovia公司开发了专门用于面部防护的过滤材料，其中抗菌系列面部防护过滤介质采用三组分复合结构配置，即纺粘层/抗菌分裂纺纤维网/纺粘层，屏蔽效率可达99.90%，介质的接触角≥120°。据介绍，该产品符合欧洲EN14683标准。
另一款抗病毒系列过滤材料的组成是纺粘和熔喷的混合组分层/抗菌分裂纺纳米纤维网/纺粘层，病毒屏蔽效率达99.90%。Nanovia公司的抗菌亚微米-纳米级纤维过滤材料也取得了美国Nelson实验室的品质认证。
在外科手术面罩的制作中，美国Ahlstrom（奥斯龙）公司大量选用克重为15或20 g/m2的纺粘非织造布或20 g/m2的双组分纺粘非织造布作原料，柔软且具有较好的强力和消费者可接受的价格。
2.3 聚合物纳米纤维过滤介质在面部防护装置上的应用
2.3.1 静电纺纳米纤维过滤材料
聚合物纳米纤维具有独特的孔隙结构和优良的透过率，因而在高端过滤和分离领域得以广泛使用，其单丝直径通常在100 ～ 500 nm之间。Elmark公司提供的抗菌纳米纤维过滤介质，其生产线配置主要为 3 个工序，即聚合物纳米纤维网成形单元、抗霉菌纤维单元和过滤介质性能最佳化处理装置。抗菌纳米纤维介质通常由 3 层纤维构成，即：外部支撑层，多使用SMS或纺粘材料；中间为添加活性物的纳米纤维层，该层具有生物功能；内层则采用纳米纤维网以屏蔽细微颗粒物。
Elmarco公司过滤材料生产线可生产普通纳米纤维，亦可生产抗霉菌纳米纤维过滤材料。NS-1600生产设备为两单元配置，幅宽1 600 mm，生产线运转速度为3.2 ～ 4.2 m/min，纤维网规格从0.3 ～ 0.4 g/m2，网的单丝直径平均为200 nm，设备产能在6 440 ～ 8 450 m2/d之间（每天运转时间20 h）。
韩国Bluefine公司提供的纳米纤维滤料的面罩或呼吸器，据称可有效屏蔽SARS病毒对人体的侵害。该过滤材料由5 层纤维网复合而成，第 1 层组分使用PP纺粘非织造布，第 2层为PET梳理型非织造布，第 3 组分选择了纳米纤维网，第 4层为活性炭纤维，第 5 层组分则使用PP纺粘非织造布。
英国Redspeare公司是世界上最早大规模生产和使用纳米纤维的厂家之一，在呼吸器或外科手术面罩过滤材料的应用研究中积累了丰富的经验，其面部防护装置的性能评定结果显示，对过敏原、细菌、真菌、病毒（如SARS、炭疽、H5N1、H1N1、H7N9流感病毒等）具有100%的捕集能力。该公司投放市场的呼吸器和外科手术面罩，采用多孔隙结构的过滤介质，由 3 层纤维材料构成，中间芯层为单丝平均直径为100 nm的纤维过滤介质，孔隙尺寸0.025 μm，过滤效率可达到99.997%。24 h佩戴，压力降32 Pa/cm2，使用安全并具有市场可接受的价格。
近年来复旦大学大气颗粒物污染防治实验室在对PM 2.5、PM 10可吸入颗粒物的数量、浓度与居民健康风险关系的研究中认为，PM 0.5可吸入颗粒物对人的危害其实更为严重。颗粒物直径越小其对应的数量浓度和总表面积越大，亦越有可能携附更多的有害物质进入人体。据调查，目前国内很多地区空气中的PM 0.5颗粒物含量很高，污染空气的可吸入颗粒物粒度分布中，直径低于0.5 μm的粒子大约占37% ～40%，对人体健康存在着潜在的危害，因而对用于面部防护装置的过滤材料提出了更高的要求。
西班牙Leitat技术中心的研究人员开展了新型过滤材料的研究，旨在减轻在颗粒直径小于0.5 μm环境下工作人群可能面临的健康威胁。该项研究选用纳米级聚酰胺（PA）纤维作为屏蔽介质、克重为28 g/m2的纤维素纤维非织造布作为支撑层，在110 ℃下通过热压方式制得了复合结构的过滤材料。屏蔽材料使用的PA6纳米纤维是在静电纺丝装置上制得的，纺丝液选择的溶剂为甲酸/乙酸的混合系统，两种溶剂的体积比为11，在50 ℃条件下配制的成形液质量浓度在10% ～15%之间，黏度为110 mPa？s（10%浓度时）。使用无针静电纺丝工艺，原液挤出量为0.5 ～ 1.0 L/h，电压采用20 ～ 30 kV，与收集装置的间距为10 ～ 15 cm，纤维网单丝直径可控制在66 ～ 195 nm范围内。从PA6纳米纤维过滤材料的渗透试验结果可以看出，介质的过滤效率可达到99%。
2.3.2 熔喷法纳米纤维过滤介质
当前熔喷法工艺制备聚合物纳米纤维技术已投入工业化生产，其纤维网的单丝直径可控制在500 ～ 1 000 nm之间。熔喷法生产聚合物纳米纤维生产效率高，且成本更具竞争优势。
H&V公司立足于熔喷法工艺，开发了新型熔喷非织造布产品“Nanoweb”，将该纳米纤维网用于呼吸器，其阻力可比常规熔喷产品降低30% ～ 50%，从而可改善呼吸器的气流运行状态，提高使用的舒适度。目前H&V公司的熔喷面部防护用过滤材料已大量投放市场，克重范围为 5 ～ 400 g/m2，厚度可控制在0.07 ～ 13 mm之间，纤维网单丝直径为0.7 ～8 μm，使用的原料包括PP、PET、PE、PBT、PA以及PPS等。Nanoweb网材的技术特点如表 3 所示。
此外，H&V公司还开发了“F-99E”呼吸器面罩，这是一款专门用于应对可能发生的甲型HIN1流感和禽流感疫情的产品，其过滤效率达到99.7%。该产品的过滤介质采用 4 层结构配置，即：第 1 层使用非织造布；第 2 层采用抗菌纳米纤维网，可屏蔽大部分病毒；第 3 层使用熔喷法纳米纤维材料；第 4 层为特制的非织造布，用以强化制品的耐用性，确保呼吸器可连续使用30次以上。
2.4 环境友好型面部防护装置的过滤介质
Foss公司利用Agion公司的抗菌技术，成功制得了“SpectraShield-9900”系列抗菌呼吸器，该产品据称对蔓延于欧洲与北美地区的超级细菌（MRSA）疫情具有99.99%的杀菌效率。该公司开发的呼吸器和外科手术面罩过滤介质使用的纤维材料具有100%的安全性，选用回收再利用的聚酯瓶片作原料，因而具有鲜明的环境友好特点。过滤介质的抗菌纤维层选择使用双组分皮芯型短纤维，皮芯层重量比为30/70。通过特别的方法将银/铜系列抗菌制剂压入双组分纤维的皮层，抗菌剂添加量为0.2% ～ 6%，由于抗菌剂仅分布在纤维的皮层，因而可有效降低使用量，但同时又可确保过滤介质在重复使用过程中其抗菌效果不会降低。皮芯型双组分抗菌纤维一般采用气流成网方式成网，然后与熔喷非织造布过滤层进行复合。
近来，波兰Loads技术大学开展了生物可降解过滤材料的研究，即将聚乳酸（PLA）纤维用作面部防护面罩的颗粒物屏蔽介质。过滤材料采用 3 层结构，外层主要用作屏蔽大量的气溶胶粒子，选用PLA短纤维针刺非织造布；芯层使用驻极熔喷非织造布；内层则为纺粘非织造布，以保持面罩形状并保证耐用性。外层针刺非织造布使用的PLA短纤维的性能指标如表 4 所示，PLA纺丝成网的工艺特征如表 5 所示。
在P L A熔喷纤维网的制备中，其原料选用了NatureWorks公司的6202型PLA树脂，纤网克重为140 g/m2，单丝直径
3 关于国内面部防护过滤材料技术发展的一点思考
个人面部防护装置是现实的需要，具有巨大的潜在市场，从这点来说，我国个人防护装备（PPE）行业同时面临着无限的商机以及转型升级的巨大压力。
3.1 个人面部防护装置市场具有巨大的拓展空间
据统计目前人类可接触到的病毒不下5 000余种，且这一数据还在增长。依据WHO的统计，全球范围内每年约有20%的人群受到过敏性鼻炎的干扰，有70万人死于流感。生活中不经意的一个喷嚏，可产生 4 万个直径在0.5 ～ 12 μm之间可能致病的液滴，而医院中97%的感染源于医用材料（主要是医用纺织品）。
而从我国来看，严重的空气污染带来的可吸入颗粒物正危及近 6 亿国人的健康。京津冀局部地区的PM 2.5的浓度一度超过了1 000 μg/m3。不断更新的研究报告告诉我们，在PM 2.5可吸入颗粒物分布中，PM 0.5及更小的颗粒物的危害性其实更为严重。表 6 为PM 2.5可吸入颗粒物的粒度分布。
近几年，防护面罩和呼吸器市场一直呈上升态势，随之而来的全球医用非织造布市场的年增长率亦持续保持在40%以上。面部防护装置已成为公共健康和周期性作业人员进行安全防护所采用的主要方法，因而过滤材料作为面部防护的核心技术必然会受到业界的特别重视。
目前，开发高成本收益的加工工艺、提高已投放市场的防护面罩的过滤材料性能是最切实有效的做法，而纤维原材料的选择也日益倾向于可再生资源。
聚合物亚微米-纳米纤维是过滤与分离领域最具市场潜力的新材料之一，而功能性聚合物纳米纤维，特别是抗菌纳米纤维已在高性能面部防护装置过滤材料上使用，在应对大气中的生物危害以及可能突发的流行病疫情方面具有实际价值。而普通消费市场上，消费者则更偏好具有可视性好、防湿防水、可重复使用、部件可置换、高过滤效率和低成本等特点的新一代面罩。
3.2 国内个人防护装备行业面临着提高品质和产品系
列化的压力
现阶段，我国的个人防护装备行业尚未真正成型，基本沿用着传统劳动保护行业的经营理念，企业规模较小，产品技术含量较低，虽已有成百亿片呼吸器或面罩的名义产能，但进口和贴牌产品仍占据着市场的不少份额，国产防护面罩行业在产品系列及发展理念上均面临着很大的压力。
从全球个人防护装备的技术发展现状来看，防护面罩和呼吸器的品种系列化特征十分明显。如3M公司开发的一次性呼吸器，其过滤介质采用抗静电微细纤维网，具有优良的透气性能；而可重复使用的呼吸器系列配置各种备件，使用简单方便且舒适，具有多用途特点，特别适宜在工业粉尘和气体污染环境下佩戴；第三系列是专门用于粉尘和气态物过滤的呼吸器。除上述几个系列外，该公司还可依据突发疫情提供特别的防护面罩，如3M 8210 N96型呼吸器，即市场上所称的H1N1型流感专用防护面罩。
在已经上市的英国Respro防护面罩的 4 个产品系列中，Sportsta系列适用于运动领域的活动人群使用，可屏蔽亚微米级的可吸入颗粒物；Benditscaf系列适用于对公共环境中烟灰粉尘以及刺激性的香气或恶臭气体的防护；City面罩是专为城市作业人群设计的，主要应对汽车尾气或灰尘；而Techo系列具有对亚微米颗粒物广谱的屏蔽功能，使用面较宽。
防护面罩的多品种系列化发展促进了跨行业、跨领域生产商的技术协作与交流。如Foss公司采用技术合作的方式，成功实现了抗菌面罩即“Fosshield”的商业化。“Fosshield”使用了Agion公司的抗菌剂，以回收聚酯瓶片原料制作的抗菌纤维由Foss公司提供，而抗菌防护面罩的设计和制作则由Nexera公司最终完成。这一案例再次印证了现阶段全球聚合物及其纤维材料技术领域的全新发展理念，即“全球性的合作与交流，比以往任何时候都显得重要”。
4 结束语
据统计，2013年淘宝网呼吸面罩和空气净化制品的销售额达8.7亿元，其中最贵的面罩价格达199元/个，最便宜的仅为 1 元/个（基本都为国产）。口罩是一种融品质与技术于一体的产品，虽然没有高贵和低级之分，但客观上来说，网上 1 元/个的面罩也反映了国内防护面罩市场的不规范和不成熟。
当前，我国非织造布行业产品品类齐全，产能、产量均居于全球前列，但市场亟需的高性能纺粘熔喷非织造布以及适用于非织造布深加工的功能性短纤维的开发还显得不足。据了解，截至目前，国内尚没有成熟的聚合物纳米纤维批量生产技术，与此同时实验室批量的产品应用研究则几乎无人问津，因此还无法为国内面部防护制品提供高性能的非织造布过滤材料。总之，国内防护面罩技术与市场尚待规范，我国个人防护装备产业的转型升级已刻不容缓。
参考文献
[1] 王淑兰，柴发合，高健. 我国中长期PM2.5污染控制战略与对策[J]. 环境与可持续发展，2013（4）：10-13.
[2] Seyed A，John M，James E. Molded Respirator Comprising Meltblown Fiber Web with Staple Fibers：Us Patent，200803180 14[P]. 2008-12-25.
[3] Wanli Hanl. Structure and air permeability of meltblown nanofiber webs[J]. Journal of Nanomaterials & Molucular Nanotech，2013（2）：2-5.
[4] Samaniego，Richard. Nex-Gen Respirator / Surgical Mask：Us Patent，20110108035[P]. 2011-05-12.