殷曉晴,任凌蕓,姜雅雯,于雅靜,顧書(shū)政,徐 陽(yáng)

(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫214122)

目前,我們使用的大多數(shù)防護(hù)口罩原料為非織造材料, 具有結(jié)構(gòu)孔徑小、孔隙率高、過(guò)濾效率高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),因此使用范圍廣泛[1]。近年來(lái),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(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān),市場(chǎng)也對(duì)口罩的過(guò)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(fèi)者增加了對(duì)口罩多功能性的需求。高效的性能要求也推動(dòng)著現(xiàn)代防護(hù)用口罩非織造材料在原料和技術(shù)方面的不斷探索和改進(jìn),開(kāi)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(shù)將是大勢(shì)所趨[2]。

1 口罩重復(fù)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(shí)代,口罩成為使用量極大的日常用品,即使有專(zhuān)用的口罩回收垃圾桶,后續(xù)處理也還未規(guī)范。聯(lián)合國(guó)環(huán)境署曾表示,根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn),將有75%的廢棄口罩進(jìn)入填埋場(chǎng)或海洋,這不僅會(huì)造成環(huán)境污染,也會(huì)給旅游業(yè)和漁業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)約400億美元的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)海洋保護(hù)組織Oceans Asia發(fā)布的最新報(bào)告,2020年,至少有15.6億個(gè)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(hù)用口罩大多使用的是非織造材料,通過(guò)靜電作用吸附病毒和微小顆粒物質(zhì),水洗后靜電效果減弱,達(dá)不到防護(hù)的作用,所以口罩的耐洗性研究被認(rèn)為是無(wú)稽之談。但從資源再利用的角度來(lái)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(zhì)10%的泡花堿水溶液、黃腐酸粉末、四氧二鐵酸鈷、毛竹、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%和10%的硝酸錫溶液、溶質(zhì)質(zhì)量濃度8%和10%的檸檬酸銻溶液、納米二氧化鈦粉末、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的泡花堿溶液為原料,經(jīng)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(zhì)且耐高溫的纖維層,即水洗之后仍保持較高的過(guò)濾性能。將該纖維層作為口罩的過(guò)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(jié)構(gòu),當(dāng)病毒失去活性后,銀離子能夠繼續(xù)保持破壞病毒結(jié)構(gòu),繼續(xù)進(jìn)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(wú)脫落,多次水洗消毒后使用不降低對(duì)病原微生物滅活功效,本濾芯經(jīng)SGS檢測(cè),無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)副作用、無(wú)耐藥性、抗藥性,能在5~20 min使病毒失活,可滅菌達(dá)650多種,使口罩濾芯粘附的病毒無(wú)變異,不成為二次污染源。

1.2 延長(zhǎng)口罩使用時(shí)間

防護(hù)用口罩的耐洗性研究仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段,且不適于醫(yī)護(hù)人員等特殊人群使用。提高過(guò)濾效率,延長(zhǎng)口罩的使用時(shí)間是目前應(yīng)用最廣泛的重復(fù)利用口罩的方法,可以有效減少資源浪費(fèi)。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(jí)二氧化硅、二氧化鈦以及電氣石混合粉體,制備得到了復(fù)合型二氧化硅氣凝膠改性熔噴聚丙烯殺菌防護(hù)材料,具有標(biāo)準(zhǔn)的納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(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(guò)濾性能。

東華大學(xué)劉妙崢、吳海波等[6]為延長(zhǎng)聚丙烯(PP)熔噴材料表面靜電荷的存儲(chǔ)時(shí)間,通過(guò)有機(jī)雜化方法來(lái)提高材料存儲(chǔ)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(jīng)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(shù)使材料表面帶有靜電荷,如圖1、圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示,添加PTFE可有效提高熔噴PP非織造材料存儲(chǔ)靜電荷的能力,且當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí),材料表面靜電壓最高,靜電荷量衰減最慢,過(guò)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(guò)濾材料具有纖維直徑小、纖維膜孔徑小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[7],可對(duì)細(xì)微顆粒有效攔截,大大增加了材料的過(guò)濾效果[8]。提高靜電紡絲納米纖維膜的過(guò)濾效能,可以通過(guò)改變外加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。馮雪等[9]采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜,試驗(yàn)結(jié)果表明:PAN紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%,紡絲電壓為20 k V時(shí),所得纖維粗細(xì)均勻,纖維膜厚度為35μm時(shí),纖維膜過(guò)濾效率高達(dá)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(duì)膜的壓降和過(guò)濾性能有顯著影響,可以改變靜電紡絲過(guò)程中的外加電壓,通過(guò)多層納米纖維結(jié)構(gòu)來(lái)控制孔的大小,優(yōu)化過(guò)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(shù)一步法制備了樹(shù)枝狀聚乳酸(PLA)納米纖維膜,探討了溶劑種類(lèi)、TBAC添加量和紡絲電壓對(duì)纖維膜形貌結(jié)構(gòu)和性能的影響。TBAC的加入可有效提高纖維膜的親水性,且樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)中主干和枝干的協(xié)同作用可有效提高纖維膜的力學(xué)性能;此外,樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)顯著提高了纖維膜的過(guò)濾性能,當(dāng)膜厚度為20μm時(shí),纖維膜的過(guò)濾效率達(dá)99.89%,阻力約為96.08 Pa,具有優(yōu)異的空氣過(guò)濾性能。

2 口罩舒適度改良

如今,佩戴口罩成為進(jìn)入公共場(chǎng)所的硬性要求。在密閉場(chǎng)所中長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩會(huì)給人帶來(lái)悶熱潮濕、呼吸困難等感覺(jué),而長(zhǎng)期密不透風(fēng)地佩戴口罩,皮膚會(huì)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(gè)體防護(hù)的空氣過(guò)濾材料多處于人體呼吸產(chǎn)生的微環(huán)境中,大量呼出的水蒸氣會(huì)堵塞過(guò)濾材料的孔結(jié)構(gòu),影響口罩的過(guò)濾效果。如何解決上述問(wèn)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(nèi)層,可以大大降低佩戴口罩導(dǎo)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(gòu)成所述的涼感纖維的合成高分子材料中的至少一種,構(gòu)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(chǎn)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(shí)的舒適感。目前市面上已有許多公司開(kāi)始研發(fā)關(guān)于此方面的織造技術(shù),如Ide mitsu Kosan公司以丙烯和丁烯為原料,開(kāi)發(fā)了一種新型的彈性聚烯烴L MPO;美國(guó)Exxon Mobil Chemical公司開(kāi)發(fā)了牌號(hào)為V M2320和VM2330的特種彈性體Vistamaxx,可直接用熔噴法生產(chǎn)彈性布。熱塑性聚氨酯(TPU)等亦可用于生產(chǎn)彈性非織造布[13]。

2.2 防水汽處理

持續(xù)佩戴濕潤(rùn)的口罩會(huì)使口罩覆蓋的皮膚長(zhǎng)時(shí)間處于溫暖潮濕的環(huán)境中,這時(shí)可能會(huì)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(hù)效果。李淑芳等[14]設(shè)計(jì)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(shè)置均勻的軋點(diǎn)。以上設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)口罩內(nèi)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(shí),由于散熱散濕性能較差,會(huì)造成眼鏡起霧等問(wèn)題。張柏洋等[15]提到了一種主動(dòng)送風(fēng)呼吸的新型智能口罩,其采用外部電動(dòng)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送風(fēng)系統(tǒng),能有效降低使用者的呼吸負(fù)荷,達(dá)到提升舒適性和用戶體驗(yàn)感的目的。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的智能口罩在保證外殼和濾芯舒適性的同時(shí)添加電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)或排氣閥等,增加透氣性,減少悶濕感,從而調(diào)節(jié)口罩內(nèi)的舒適度[16]。

3 口罩多功能化發(fā)展

無(wú)論是居家,還是室內(nèi)外公共場(chǎng)所,人人都有可能接觸到各種細(xì)菌、病毒,甚至是攜帶細(xì)菌病毒的氣溶膠。目前市場(chǎng)上的絕大部分口罩只能阻隔細(xì)菌、病毒,不能實(shí)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(xì)菌的繁殖和生存,避免細(xì)菌感染,從而降低風(fēng)險(xiǎn)。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(chǎng)提出了新的要求:開(kāi)發(fā)出具有一定功能性的口罩濾材。

3.1 抗菌處理

為延長(zhǎng)口罩的使用時(shí)間,提高口罩的抗菌效果和抗菌時(shí)間,Botel ho Cláudia M等[17]研制出了一種新型、易加工、價(jià)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(dá)到延長(zhǎng)口罩有效佩戴時(shí)間的效果。韓曉浩等[18]通過(guò)制備抗菌無(wú)紡布作為口罩過(guò)濾層來(lái)制備可重復(fù)利用的口罩。具體方法是將N-羥甲基丙烯酰胺水溶液和過(guò)硫酸鉀水溶液加入硝酸銀水溶液進(jìn)行攪拌加熱反應(yīng)后得到抗菌處理液,而后對(duì)熔噴無(wú)紡布進(jìn)行浸漬處理。浸漬結(jié)束后取出、烘干,得到抗菌熔噴無(wú)紡布。制成的口罩抗菌效果更好,抗菌時(shí)間更長(zhǎng),從而提高了使用次數(shù)和使用時(shí)間,也降低了處理口罩垃圾污染的成本。經(jīng)研究表明,納米材料對(duì)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(chǔ)上,創(chuàng)新應(yīng)用了新型石墨烯聚丙烯熔噴布作關(guān)鍵過(guò)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),新型石墨烯口罩抗菌性更強(qiáng),透氣性更好。試驗(yàn)表明,新型石墨烯口罩的使用時(shí)間超過(guò)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(guò)濾效能僅降低4%,與周?chē)橘|(zhì)隔離,進(jìn)一步起到抑菌作用。廣西紡源醫(yī)療科技有限公司[20]通過(guò)使口罩的中間層吸附氧化石墨烯——銅銀納米復(fù)合物以及黃芩、丁香、白術(shù)、魚(yú)腥草等中草藥液進(jìn)一步提高口罩的過(guò)濾殺菌能力。東華大學(xué)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(shù)將抗菌整理劑固化到聚丙烯無(wú)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(zhǎng)效的抗菌性。深圳君能高芯科技有限公司[22]使用兩個(gè)相向疊置的由滌綸制作而成的復(fù)合保護(hù)層縫合制作口罩本體,并通過(guò)霧化器將抗病毒助劑和抗菌助劑滲透至復(fù)合保護(hù)層的纖維結(jié)構(gòu)中,使得該口罩具有抗病毒抗菌功能,且該復(fù)合保護(hù)層防水透氣性強(qiáng),面部不容易悶汗,適合長(zhǎng)期佩戴。

此外,隨著科技進(jìn)步,光觸媒技術(shù)目前已經(jīng)在抗菌口罩領(lǐng)域得以應(yīng)用,其抗菌原理為:納米級(jí)Ti O2在光照后可產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的氫氧基,對(duì)細(xì)菌、真菌孢子、病原體的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和DNA雙鏈等有直接破壞作用,達(dá)到抗菌效果。太倉(cāng)斯迪克新材料科技有限公司[23]公開(kāi)了一種含有納米二氧化鈦的納米級(jí)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?qū)崿F(xiàn)有效殺滅細(xì)菌和病毒,除異味,防治花粉、粉塵及空調(diào)過(guò)敏,抑制傳染性病毒等功能[24]。

3.2 特殊用途及無(wú)線技術(shù)應(yīng)用

口罩以過(guò)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(chǎng)也對(duì)口罩提出了其他要求,功能多元化的口罩應(yīng)運(yùn)而生。閩江學(xué)院[25]以無(wú)紡布作為基底,將其放在等離子體清洗機(jī)中處理3 min,使無(wú)紡布表面帶有負(fù)電荷,并在基底的表面制備復(fù)合層,使口罩性能趨于多功能化。其中,復(fù)合層包括依次設(shè)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(guò)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(diǎn),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(fēng)調(diào)節(jié)內(nèi)部舒適度的功能,當(dāng)口罩與無(wú)線技術(shù)結(jié)合時(shí),智能口罩還可以為人們的生活帶來(lái)便利。徐磊等[26]通過(guò)開(kāi)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(zhì)量情況對(duì)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(shí)現(xiàn)“霧霾地圖”的設(shè)想。該口罩通過(guò)口罩內(nèi)的智能芯片,對(duì)當(dāng)前環(huán)境下的霧霾指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并通過(guò)無(wú)線通訊的方式,分享該數(shù)據(jù)至應(yīng)用后臺(tái),計(jì)算機(jī)再結(jié)合官方監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),制作出一份實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的霧霾地圖。該霧霾地圖不僅能使用戶通過(guò)手機(jī)獲取該地圖了解當(dāng)前所處環(huán)境的空氣質(zhì)量,同時(shí)還可以為用戶提供口罩換芯提醒、空氣質(zhì)量最佳通行路線推薦等建議。此外,日前雷神RAZER在國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)上推出了一款透明智能口罩,該產(chǎn)品不僅可以使得周?chē)丝吹脚宕髡叩拿娌勘砬?還具有通過(guò)內(nèi)置的麥克風(fēng)和音頻放大器提升佩戴者的說(shuō)話聲音、在黑暗時(shí)燈光系統(tǒng)自動(dòng)激活、對(duì)通風(fēng)器自動(dòng)紫外消毒以及支持無(wú)線充電等功能。

4 結(jié)論與展望

目前,防護(hù)用口罩的研究主要是圍繞可重復(fù)利用、提高舒適度和增添附加價(jià)值等方面展開(kāi),且由于新冠肺炎疫情長(zhǎng)久態(tài)勢(shì)的沖擊,口罩的可重復(fù)利用是目前大熱的話題,但在市場(chǎng)上和業(yè)內(nèi)褒貶不一。

防護(hù)用口罩的未來(lái)發(fā)展將主要圍繞幾點(diǎn):

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

(2)《兒童口罩技術(shù)規(guī)范》(GB/T 38880-2020)首次對(duì)兒童口罩的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定,促使兒童口罩依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)在口罩技術(shù)層面做出改善。由于兒童的肌膚較成人敏感,兒童口罩生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)針對(duì)兒童口罩舒適度指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)近年來(lái),國(guó)家對(duì)個(gè)人安全防護(hù)的重視程度的加強(qiáng)以及塵肺病等職業(yè)病的發(fā)病率增長(zhǎng),使得專(zhuān)業(yè)性口罩的市場(chǎng)空間巨大。

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