新型口罩過濾材料的多功能化研究

陳恩樂，張佳棟，于曉達，于曉慶，韓一戈

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010080）

日常生活和醫療場所中使用的醫用口罩大體分為四類，分別是醫用防護口罩、醫用外科口罩、醫用顆粒物防護口罩、普通醫用口罩。普通醫用口罩的生產快速簡便，適合日常防護、接診處置、衛生清潔等普通場所。這類口罩通常由耳帶、鼻梁條、過濾層等構件組成，還可以根據需要配備鼻夾、頭帶、呼氣閥等。選擇不同材料的過濾層對防護效果的發揮起著決定作用，例如常見的三層結構（簡稱SMS，S為紡粘層，M為熔噴層），其中上下兩層的紡黏無紡布是手感和強度的影響因素，中間層的過濾材質則直接關系著過濾性能和屏蔽阻隔作用。

為了加強個人防護，公眾對于口罩的性能和品質要求也不斷提高[1-2]。隨著技術創新和供需變化，我國將從口罩出口大國向技術強國轉變，不僅需要提高產能滿足基本需求，還需要不斷改進和升級吸附/過濾功能材料，實現按需定制和技術創新[3-5]。另外，人工智能、大數據、物聯網等新技術應用于口罩研發生產上的關注也在不斷升溫，低碳發展規劃下環保意識的提高促使可生物降解、抗菌抑毒、可重復使用等新型口罩材料成為研究熱點。

1 新型濾材

1.1 納米微纖化纖維

納米微纖化纖維（NFC）的纖維直徑較?。ㄖ睆叫∮?000nm），因此具有較大的比表面積，纖維間相互堆積后形成的纖維氈孔徑小，孔隙率較高，常被用于制作濾芯。利用NFC材料制成的口罩，在特殊處理后過濾效率可達99%以上。東華大學還研發了阻力氣壓約為大氣壓的0.11%，可以長效使用的納米蛛網/纖維材料，使用芳綸/聚氨酯制備出高效、超薄、高透光的二維納米網絡結構材料[6]。

1.2 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯膜材料的過濾效果較好，通過簡單的熱水消毒后能夠重復使用，可以減少廢棄物產生量。但是使用過程中存在鹽性顆粒物沉積的問題，可能使其過濾阻力相應增加，對有呼吸疾病的患者和體弱人群（如老人、兒童、孕婦等）具有一定的健康風險。膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）是一種新型醫用高分子材料，是聚四氟乙烯樹脂經過膨化拉伸工藝加工而成的，濾膜孔徑遠遠小于普通熔噴布，可以實現物理阻隔病毒，如能量產有望實現口罩濾材尺寸的納米化[7]。

1.3 抗菌殺毒

一般口罩只能起到阻隔病毒的作用，無法真正的殺死病毒。為了提高口罩的抗菌效果，可以采取添加納米抗菌材料或者消毒滅菌藥劑等方法[8]。朱孝明利用光催化抗菌材料二氧化鈦，制造出改性的二氧化鈦/紡黏-熔噴（SM）抗菌濾材[9]。蘇炫魁設計口罩中間的過濾層吸附氧化石墨烯-銅銀納米的復合物以及黃芩、丁香、白術、魚腥草等中草藥液，改良了過濾及殺菌性能[10]。劉吉娜采用水性聚氨酯乳液與合成納米銀溶液制備出納米銀抗菌整理劑，再用紫外光固化將具有抗菌性的納米銀顆粒緊密附著在織物表層，使口罩的抗菌效果更加持久[11]。萬桔臣利用霧化器將抗病毒和抗菌助劑滲透至復合保護層的纖維結構中[12]。

此外，光觸媒技術也可用于抗菌口罩領域，借助納米級二氧化鈦在光照后能夠產生氧化能力極強的氫氧基，可以直接破壞一些細菌、病毒、孢子等對人體有害微生物的細胞壁、細胞膜及其DNA結構，從而達到除菌目的。太倉斯迪克新材料科技有限公司研發了一種內部含有納米級光觸媒功能層（主要成分為納米二氧化鈦）的醫用口罩[13]，通過將光觸媒納米粉末填充在上下兩層棉紗之間，不但能夠有效地抑制傳染性病毒的傳播，殺滅細菌和病毒，還可以去除異味，阻隔花粉、粉塵等微小的異物等，且對空調過敏的患者也具有一定的保護性。

1.4 生物降解

可生物降解的口罩一般選用天然纖維及其衍生物合成的高分子、生物聚合物，例如Lyocell纖維，廢棄處理時可被微生物分解為二氧化碳和水，并且降解時間較短。Reicofil公司曾以纖維素/NMMO/水溶液為材料，生產出可降解的熔噴法非織造布。此外，聚乳酸也適合制作過濾層，由于其結構多為細長纖維，可以形成孔徑較小的濾芯，然而缺點是柔韌性和耐久性并不理想[14]。昆士蘭科技大學的Thomas Rainey開發了以甘蔗渣為原料的納米纖維素材料，透氣性好并且成本較低，能夠篩除病毒尺寸的百納米級別以下顆粒。

1.5 活性炭纖維

活性炭纖維具有孔道多和比表面積大的結構特點，表現出較高的吸附能力和表面活性。陶玥分析了活性炭纖維與銀離子的還原吸附作用和釋放過程，發現兩者結合之后具有良好的過濾性和抗菌性[15]。但是活性炭纖維反復在外界環境中使用，接觸水和污染物會造成老化失效，導致功能性和持久性下降，若不能有效再生利用就會造成吸附效率變差。

2 改善性能

口罩的防護機制及機理主要分為以下幾種情形。直接捕獲，當微粒隨著空氣到達口罩時，半徑大的顆粒會被攔截在外部，之后沉積于纖維表面。氣流在經過纖維層時，質量大的顆粒由于慣性作用撞擊到纖維之間的縫隙中，產生慣性沉淀?？諝夥肿釉诳谡诌^濾層中做熱運動，同時與部分半徑較小的顆粒碰撞，粒子呈現無規則運動（布朗運動），更大概率碰撞纖維并沉積到口罩表面，形成擴散沉積。重力沉降是指部分顆粒隨空氣流動時，因自身重力而沉降。此外，當空氣中剩余的半徑小、質量輕的微粒進入口罩時，靜電處理后的纖維在靜電作用下表面會吸引粘附這些微粒，達到濾除效果。

2.1 過濾效率

聚丙烯作為一次性口罩的主要原料，具有造價低廉，物理和化學性質較為穩定等優點。改性后的聚丙烯理化性能提升，可以賦予抗沖擊、耐熱、耐輻射等多項特性，被廣泛用于醫用、電器等領域。制備增強聚丙烯有多種方法，例如使用玻璃纖維直接摻雜，或者將其經過改性后再結合其他纖維混合增強，后者更適合制作口罩。歐璐利用比表面積和孔隙率更好的二氧化硅氣凝膠對聚丙烯的熔噴布進行處理，發現改性后熔噴材料的過濾效果相對傳統聚丙烯有明顯加強[16]。周忠成采用聚乙二醇/聚丙烯改性聚合物原料制備出毫微米尺寸的嵌入式復合纖維，過濾性能隨著聚乙二醇添加量的增加顯著提高[17]。

2.2 舒適性

透氣性和舒適度直接影響著口罩的使用感受。佩戴口罩的同時佩戴眼鏡會有起霧現象[18]。如果長時間使用口罩可能致使呼吸不暢，并且臉部悶熱潮濕也會導致皮膚發紅發癢甚至過敏。佩戴時間過長，口罩掛繩會引起耳部充血疼痛等不適。為了解決上述問題，可以采用具有特殊斷面或者毛細結構的涼感纖維來制作口罩。由于涼感面料作為口罩內層接觸皮膚，可以明顯減少悶熱感，解決長時間佩戴導致的空氣不流通問題，提高了舒適性。

此外，使用滌綸或者滌棉混紡織物作為口罩外層，可以起到保護內部濾材，抗皺免燙，易干保形的效果。滌綸強度高、彈性好，更加貼合臉部，密閉性得以提升，能夠省去口罩的鼻梁條，改善舒適度。長期佩戴的口罩吸收潮氣和灰塵等異物，如果使用者臉部油脂分泌旺盛，容易產生局部的皮膚癥狀。若在內部里層采用吸濕的PET非織造布，由于表面分布有均勻網孔，面層也有軋點，不僅可使觸感更加柔軟，并且透氣耐用，防霧和防水汽效果得以提升。

2.3 使用時間

日常使用的由非織造材料（聚丙烯）制備的一次性醫用口罩大多屬于即用即棄式，延長口罩的使用時間可以有效減少原料和能源的浪費，航發航材院科研團隊利用新型的石墨烯聚丙烯熔噴布制作了佩戴時間約為48h的口罩，單層二維結構且呈蜂窩狀的石墨烯與其衍生物的抗菌抗病毒能力較優異、生物相容性較好。連續佩戴48h后，過濾效能僅降低了4%，有望成為傳統口罩的替代品。

2.4 低碳設計

口罩相關的原材料生產和廢棄物處理對于生態環境的負擔不容小覷。僅以產量最大的聚丙烯熔噴布為例，由于降解過程長達幾十年之久，大量使用后直接廢棄將對環境造成很大危害。為了解決這一問題，可以借鑒塑料處理辦法，首先需要加強可降解材料的研發，另外也應加快醫用垃圾回收與處理分類的配套設施建設。針對口罩中攜帶的大部分細菌與病毒不耐高溫的性質，采取高溫機械處理對廢棄口罩進行消毒滅活也是行之有效的。

通過纖維/填料復合改性方法，將廢棄的口罩粉碎摻雜無機填料，即在熔融加工過程中填充功能性納米粒子，最后獲得具有各組分性能協同效應的復合材料。例如聚丙烯與其他烯烴類聚合物相似，分子鏈呈現對稱結構，表現出相容性差的非極性特征，在混合物體系中與不同物質分子間的相互作用力較弱，難以粘接結合，限制了復合材料的加工和應用。一方面可以通過機械共混的方式，將聚丙烯與無機填料混合（或其他聚合物，類似混煉），進行填充或者共混改性?？梢愿牧伎箾_擊能力，賦予其透氣性、阻燃性、導電性、熱穩定性等多方面的優良性質，之后再轉化為其他塑料產品。另一方面還可以對聚丙烯的分子鏈進行化學改性，在大分子鏈上設計完成接枝、共聚、交聯反應，借助引入的極性基團改變聚丙烯的自身性質，拓展再生利用途徑。

3 智能設計

2016年中航航空電子系統股份有限公司參考飛行員的呼吸面罩，將換氣送風功能用于口罩，有效地緩解了呼吸憋悶和廢氣滯留。電競公司雷蛇在2021年國際消費類電子產品展覽會上推出了一款透明智能口罩，不僅達到了N95防護級別，而且透過口罩可以看到佩戴者的面部表情。內置的麥克風和音頻放大器可以根據需要提高佩戴者的說話音量。此外，還可有自感應照明、紫外線消毒、無線充電等智能化應用。

借助物聯網技術還可以為使用者提供口罩更換提醒，根據空氣質量推薦最佳通行路線等功能?？梢灶A想的是，當引入檢測模塊與口罩結合時，還可以實時檢測周邊環境的空氣質量，對呼吸系統疾病患者提供防護建議。通過附帶的智能芯片，對所處地點空氣污染物進行測算，發送信息至大數據中心處理，結合氣象監測站的天氣數據，可以快速制作精確到米范圍的霧霾地圖，有望實現分布式測量環境空氣質量的設想。

智能口罩從概念化到現實的轉化也面臨較多問題。一是造價過高，且濾芯等模塊需要定期更換，長期購買配件也是一筆不小的支出；二是質量較大攜帶不便，由于裝有電動機、電池等多個部件，需要專門維護；三是電池續航時間，小型電池續航時間大多是幾個小時，無法長時間運轉。

4 結語

伴隨著產業升級和能源結構調整，AI、大數據、云計算、物聯網等新科技已經逐漸進入市場化階段，具備智能化的功能性材料將成為口罩產業創新發展的重要助推器。