周惠林， 楊衛(wèi)民， 李好義

(1. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029； 2. 北京服裝學(xué)院 時(shí)尚傳播學(xué)院， 北京 100029)

隨著新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情的爆發(fā)，人們對(duì)口罩的需求量暴增，促使對(duì)口罩的關(guān)注程度提到了前所未有的新高度?？谡址譃榭諝膺^(guò)濾式口罩和供氣式口罩，其作用是過(guò)濾進(jìn)入人體肺部的空氣。佩戴口罩可在呼吸道疾病傳播、粉塵等污染的環(huán)境中作業(yè)時(shí)起到非常好的保護(hù)作用?？諝膺^(guò)濾式口罩是日常工作與生活中使用最廣泛的，目前主要類型有醫(yī)用口罩、勞保口罩和日常防護(hù)口罩。

醫(yī)用口罩阻隔顆粒物、細(xì)菌等的過(guò)濾機(jī)制主要有2種方式：一是利用織物中許多縱橫交錯(cuò)的纖維(直徑范圍為0.5～10 μm)間的小孔隙結(jié)構(gòu)，阻隔細(xì)菌及病毒的通過(guò)，其原理是依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、直接攔截等機(jī)械阻擋作用阻擋顆粒物通過(guò)，但對(duì)粒徑小于1 μm的粒子過(guò)濾效果很差；二是靜電吸附，依靠庫(kù)侖力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)中性微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲，大幅增強(qiáng)過(guò)濾效率，而空氣阻力卻不會(huì)增加。每次疫情中，醫(yī)用口罩在預(yù)防和阻斷病毒傳播方面都扮演著重要角色，如2003年的非典(SARS)、2004年的禽流感、2009年的甲型H1N1流感、2012年中東呼吸綜合征(MERS)，以及2019年底開(kāi)始的COVID-19 等疫情。

本文介紹了口罩的發(fā)展演變過(guò)程，系統(tǒng)歸納總結(jié)了目前醫(yī)用口罩主要過(guò)濾材料的制備現(xiàn)狀，探討了過(guò)濾材料的發(fā)展方向，以期為研發(fā)高效低阻、多功能化、環(huán)保、可重復(fù)消毒使用的醫(yī)用口罩提供一定參考。

1 醫(yī)用口罩的發(fā)展進(jìn)程

1.1 類口罩物的出現(xiàn)

古代中國(guó),就有對(duì)口鼻遮蓋的記錄，如《禮疏》記載：“掩口，恐氣觸人?！焙汀睹献印るx婁》記載：“西子蒙不潔，則人皆掩鼻而過(guò)之”。人類歷史上最早的類口罩物，出現(xiàn)于公元前6世紀(jì)，是古波斯人在宗教儀式上以阻擋不潔氣息用[1-2]，形式相當(dāng)于今天的面紗。1275年，馬可· 波羅在《馬可·波羅游記》中記載：“中國(guó)元朝宮殿里，獻(xiàn)食的人，皆用絹布蒙口鼻，俾其氣息，不觸飲食之物。”[3]受其影響，很多歐洲貴婦用摻著金絲線的紗巾蒙上臉龐。不同的是元朝宮廷侍者用蠶絲布蒙住口鼻，是為了不把自己的唾液和氣味傳出去，貴婦們是為了增加韻味。

1.2 紗布口罩

公元1世紀(jì)開(kāi)始，口罩被當(dāng)成阻隔空氣、防止污染的工具。當(dāng)時(shí)羅馬的礦工用動(dòng)物的膀胱皮包裹面部，以使其免受氧化鉛紅塵的侵害。14 世紀(jì)，黑死病蔓延,患病后死亡率極高,為了隔絕尸體的腐臭,采用麻布和棉布遮掩口鼻,這就是現(xiàn)代口罩的雛形[4]。16世紀(jì)，達(dá)芬奇提出用紗布沾水捂住口鼻能阻擋有毒粉末侵害，口罩有了與今天大致相同的產(chǎn)品材料選擇。1897年，德國(guó)病理學(xué)專家萊德奇認(rèn)識(shí)到手術(shù)時(shí)醫(yī)生佩戴紗布口罩可減少因口腔飛沫導(dǎo)致患者細(xì)菌感染，醫(yī)用口罩的概念出現(xiàn)。1899年，法國(guó)醫(yī)生保羅·伯蒂發(fā)明了一種6層紗布的口罩，成為真正具有現(xiàn)代意義、至今仍在使用的口罩。1910年， 中國(guó)哈爾濱爆發(fā)鼠疫，伍連德設(shè)計(jì)了一種用雙層紗布制作的伍氏口罩， 對(duì)鼠疫的控制起到了積極作用。1918—1919年間的西班牙流感，全世界因此死亡人數(shù)達(dá)2 000萬(wàn)以上。瘟疫蔓延時(shí)，口罩被強(qiáng)制性要求佩戴，醫(yī)用紗布口罩從此走進(jìn)了歐洲人的生活中[5]。1920年以后，口罩成為外科手術(shù)的必備裝束。20 世紀(jì) 50 年代，棉紗布口罩開(kāi)始盛行。早期的醫(yī)用口罩大部分由8～12層棉紗布制成[6]。棉紗布的多層密實(shí)堆積使纖維間呈交錯(cuò)孔隙結(jié)構(gòu)，可對(duì)空氣中較大的顆粒物或粉塵形成物理攔截過(guò)濾，但棉紗易吸濕，阻隔效率低[7]。

1.3 非織造布口罩

隨著非織造技術(shù)的發(fā)展以及新型材料的應(yīng)用，20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)非織造布口罩，但發(fā)展緩慢。2003年出現(xiàn)的SARS疫情加速了我國(guó)醫(yī)用口罩的研制、生產(chǎn)和使用，非織造布口罩進(jìn)入快速發(fā)展期。非織造布工藝流程短，成本相對(duì)低，適宜生產(chǎn)即用即棄產(chǎn)品；非織造纖維網(wǎng)孔隙率高，過(guò)濾性能及透氣性能良好；超細(xì)纖維非織造材料的皮膚過(guò)敏反應(yīng)低，以上優(yōu)勢(shì)使非織造布成為目前市場(chǎng)上醫(yī)用口罩主流過(guò)濾材料。

醫(yī)用口罩非織造布的主要原材料有聚丙烯(PP)、 聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)、聚四氟乙烯(PTFE) 等，尤以聚丙烯纖維為多[8]。聚丙烯熔噴非織造布性能穩(wěn)定，纖維直徑較細(xì)(直徑大都在0.5～4 μm)，孔隙率高，透氣性能與過(guò)濾阻力好，且環(huán)保無(wú)毒，以其制備的醫(yī)用口罩過(guò)濾性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。聚丙烯非織造布經(jīng)過(guò)駐極處理還可使纖維帶有電荷，在庫(kù)侖力吸附效應(yīng)下，對(duì)微塵、氣泡、病毒的過(guò)濾效率可達(dá)到98.9%，過(guò)濾阻力僅為37.92 Pa[9]。盡管以非織造布為過(guò)濾材料的醫(yī)用口罩，其生物相容性及舒適程度不如天然纖維，但天然纖維較粗，很難達(dá)到超細(xì)纖維非織造布的高效低阻效果。圖1 示出用非織造布制成的醫(yī)用口罩常用結(jié)構(gòu)[10]。

圖1 非織造布醫(yī)用口罩的常用結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of medical mask with nonwoven

1.4 醫(yī)用口罩的標(biāo)準(zhǔn)

目前，口罩種類繁多，不同類型的口罩適用范圍各不相同，遵循的標(biāo)準(zhǔn)也不同。醫(yī)用口罩對(duì)細(xì)菌過(guò)濾效率、顆粒過(guò)濾效果、通氣阻力、合成血液穿透阻力以及密合性都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求。表1示出主要國(guó)家和地區(qū)醫(yī)用口罩的種類和執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。

表1 主要國(guó)家與地區(qū)醫(yī)用口罩的種類和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Types and executive standards of medical masks in major countries and regions

2 醫(yī)用口罩主要過(guò)濾材料的制備

非織造布過(guò)濾材料主要有：靜電駐極熔噴布、紡粘非織造布、紡粘-熔噴-紡粘(SMS)復(fù)合非織造布和針刺或水刺非織造布，其中以靜電駐極熔噴超細(xì)纖維非織造布應(yīng)用最廣。

2.1 熔噴超細(xì)纖維非織造布

熔噴超細(xì)纖維非織造布[10]是一種高效非織造過(guò)濾材料，是在高速高溫氣流作用下，將熔融態(tài)的高聚物極度拉伸形成超細(xì)纖維，在冷卻的同時(shí)再利用自身的熱黏結(jié)性實(shí)現(xiàn)適度黏連制成的。目前，常規(guī)熔噴非織造布的纖維直徑在2～10 μm之間。采用電腦控制的熔噴裝置可連續(xù)制造纖維直徑達(dá)到亞微米級(jí)(0.1～2 μm)的非織造布。2003年，東華大學(xué)研制的超細(xì)纖維非織造布[13]，用于制作防SARS病毒(0.1～0.3 μm 顆粒)口罩，過(guò)濾效果達(dá)95%。采用閃蒸紡絲法[14]將聚合物溶解于低沸點(diǎn)的溶劑中，經(jīng)加熱、加壓從噴絲板呈網(wǎng)狀噴射，溶劑瞬間氣化，可得到0.01 dtex 的超細(xì)纖維，過(guò)濾效果可大于等于95%。

針對(duì)含有病原體細(xì)菌、飛沫的有害傳播，醫(yī)用口罩等級(jí)分為三級(jí)。最常見(jiàn)的淺藍(lán)色外科防護(hù)口罩一般用于一級(jí)防護(hù)，而對(duì)于防疫一線的醫(yī)護(hù)人員必須是三級(jí)防護(hù)，需要佩戴N95、KN95這樣的專用防護(hù)口罩，這就對(duì)熔噴非織造布的纖維線密度、各纖維層級(jí)的排列導(dǎo)向和纖維非織造布孔隙的密度和大小提出了更高的要求[10]。由于病毒的物理形態(tài)為納米尺度，傳統(tǒng)口罩過(guò)濾材料基本上不具備攔截功能，熔噴超細(xì)纖維非織造布依靠對(duì)細(xì)小顆粒優(yōu)異的攔截和獨(dú)特的吸附功能，防護(hù)效能比傳統(tǒng)口罩更好。圖2示出熔噴非織造布防護(hù)效能的示意圖[10]。

圖2 熔噴非織造布防護(hù)效能示意圖Fig.2 Schematic diagram of protection efficiency of meltblown nonwoven

2.2 納米纖維膜

納米纖維獨(dú)特的尺寸效應(yīng)，使得納米過(guò)濾材料比熔噴超細(xì)纖維非織造布的孔隙率更高[15]，在滿足過(guò)濾效果的同時(shí)有更好的透氣性，是當(dāng)前過(guò)濾材料的主要研究方向，有望成為未來(lái)理想的醫(yī)用口罩過(guò)濾材料。文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果顯示，受自然界蜘蛛網(wǎng)、蜂巢等生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用芳綸/聚氨酯雙組分聚合物溶液，通過(guò)類電容靜電噴網(wǎng)技術(shù)制備出了一種新型剛?cè)岵?jì)的超薄(約350 nm)、高透光(85.6%)的二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料(見(jiàn)圖3)。其對(duì)氯化鈉 PM0.3的去除率可達(dá) 99.984%，壓阻僅為 0.07 kPa， 為制備高性能、超薄空氣過(guò)濾材料提供了新思路。

圖3 超薄高透光過(guò)濾網(wǎng)膜Fig.3 Ultra-thin high transmittance filtration filter

Huang等[17]從納米材料尺度和表面結(jié)構(gòu)出發(fā)，以聚己內(nèi)酯(PCL)和聚氯乙烯(PEO)為原材料，先用靜電紡絲制備出直徑約為2 μm的纖維，然后通過(guò)溶劑蒸汽退火方法對(duì)纖維材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理，使原本平滑的納米纖維材料表面變成堆疊的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，大大增加了材料的比表面積。經(jīng)與多種商業(yè)口罩對(duì)比，這種新型納米纖維非織造布所制口罩的過(guò)濾效率可達(dá)到80%，具有優(yōu)異的防護(hù)霧霾顆粒和細(xì)菌的效果。

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，先取分位數(shù)區(qū)間Γ=[ε,1-ε]，其中ε∈(0,0.5)，在Γ中選取n個(gè)分位數(shù)點(diǎn)(ε=τ1<…

有學(xué)者采用靜電紡絲技術(shù)[18]將聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)溶解在三氟乙酸/二氯甲烷(TFA/DCM，質(zhì)量比為3∶2)混合溶液中(紡絲參數(shù)：?jiǎn)吾樶樋字睆綖? mm， 電壓為20 kV，加料速度為0.8 mL/h)， 當(dāng)PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，可獲得直徑分布均勻和形態(tài)理想的納米纖維非織造布。當(dāng)接收距離為8 cm時(shí)，紡絲射流的溶劑不完全蒸發(fā)可增強(qiáng)PET納米纖維與PET網(wǎng)格的更好結(jié)合(見(jiàn)圖4[18])。 當(dāng)PET納米纖維的沉積達(dá)到2.6 g/m2時(shí)，纖維膜微米大小的微孔占主導(dǎo)(約62%)，經(jīng)過(guò)5 h的過(guò)濾試驗(yàn)，該納米纖維非織造布對(duì)PM2.5過(guò)濾效率高達(dá)87%，且絲網(wǎng)有高透光率和超疏水性(接觸角145°)，也為口罩過(guò)濾材料的制備提供了一種新的方向。

圖4 沉積不同面密度PET的非織造布掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of nonwovens with different area density PET deposition

Li等[19]還突破了傳統(tǒng)毛細(xì)管靜電紡的慣性思維局限，創(chuàng)新地提出熔體微分新概念和聚合物熔融靜電紡的方法(見(jiàn)圖5)。從單噴頭開(kāi)始試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)4、32、64噴頭的不斷探索，以PP、聚乳酸(PLA)為原材料，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)彩虹絲聚合物纖維非織造布的批量化生產(chǎn)，纖維直徑達(dá)到了可見(jiàn)光的波長(zhǎng)(370～780 nm)范圍。通過(guò)彩虹絲納米尺度長(zhǎng)纖維層疊，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的微孔通道，使病毒被攔截，經(jīng)酒精消毒或水洗后，其阻隔功能衰減的程度也較輕，具有高效防護(hù)、超低呼吸阻力、消毒清洗后可重復(fù)使用的綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

圖5 熔體微分靜電紡絲示意圖Fig.5 Schematic diagram of melt differential electrospinning. (a) Schematic diagram of spinneret;(b) Diagram of electrospinning

2.3 多功能復(fù)合納米過(guò)濾材料

病毒顆粒的大小一般在0.05～3 μm之間，較小的在18～22 nm之間，一般與飛沫和氣溶膠融合。醫(yī)用口罩依靠微納纖維非織造布的物理結(jié)構(gòu)只能阻擋直徑大于3 μm的顆粒。對(duì)于3 μm 以下的顆粒、飛沫和氣溶膠主要依靠靜電力吸附，因此，醫(yī)用口罩除利用新型紡絲技術(shù)制備亞微米及納米纖維非織造布外，還配以駐極體、負(fù)離子、活性炭等技術(shù)以提高非織造布的過(guò)濾效率。

駐極體使過(guò)濾材料帶有靜電荷產(chǎn)生吸附效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攜帶病毒、細(xì)菌等微?；蝻w沫的有效吸附。目前水駐極和熱氣流駐極比較新穎，常見(jiàn)的駐極技術(shù)是電暈駐極，用有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)材料(如SiO2粒子)、電氣石等駐極體材料對(duì)非織造布改性，在不提高過(guò)濾阻力的前提下，可提升過(guò)濾效果[20]。文獻(xiàn)[21] 以具有較強(qiáng)極性的 PTFE 纖維為對(duì)象，運(yùn)用摩擦所形成的靜電駐極對(duì) PTFE 非織造織物改性，結(jié)果顯示非織造織物面密度與摩擦所產(chǎn)生的表面電勢(shì)成正比，當(dāng)面密度達(dá)到 220 g/m2時(shí)，其對(duì) 0.26 μm 超細(xì)顆粒物的過(guò)濾效率高達(dá) 99%，顯著改善了過(guò)濾材料的過(guò)濾性能。

活性碳纖維非織造布也是一種具有多孔結(jié)構(gòu)和大的內(nèi)部比表面積的吸附材料，具有較高的吸附能力。陶玥[22]制備了一種載銀活性碳纖維非織造布，表面均勻分布了 20～40 nm 的銀顆粒，將該纖維用作口罩濾芯與 40～45 g/m2非織造布復(fù)合,具有優(yōu)異的過(guò)濾和抗菌性能，且安全無(wú)毒。

3 醫(yī)用口罩過(guò)濾材料的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 口罩過(guò)濾材料專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)

口罩的使用效果主要取決于其過(guò)濾材料的研發(fā)。從近年口罩專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)來(lái)看(見(jiàn)表2[23])，新型過(guò)濾材料研究熱點(diǎn)是：熔噴非織造布和靜電紡納米纖維非織造布,駐極體技術(shù)、負(fù)離子材料、石墨烯材料等也廣泛應(yīng)用于新型過(guò)濾材料的研發(fā)。

表2 2017年以來(lái)口罩專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)Tab.3 Hot spots mask patent application since 2017

3.2 多層組納米非織造布過(guò)濾材料

依據(jù)植物對(duì)水分子吸收、運(yùn)輸和散發(fā)的毛細(xì)效用和蒸騰作用原理，多層納米非織造布過(guò)濾的核心層由若干層過(guò)濾材料構(gòu)成，在配置上基本都會(huì)遵循梯度過(guò)濾原則，首先通過(guò)溶膠凝膠、膠束聚合、直接氟化改性、靜電紡絲、化學(xué)氣相沉積和原子轉(zhuǎn)移自由基聚合等方法進(jìn)行納米纖維表面改性；再由經(jīng)不同改性、不同材料結(jié)構(gòu)的纖維非織造布層疊組成。這種層疊組在設(shè)計(jì)和制備上要求呈現(xiàn)出自下而上的分級(jí)、多分枝網(wǎng)絡(luò)、多孔性(有宏觀、微米和納米尺寸的孔隙，便于對(duì)顆粒物的層層過(guò)濾)。如文獻(xiàn)[24] 在聚乳酸非織造布基纖維上，通過(guò)靜電紡絲覆蓋一層靜電紡醋酸纖維(CA)構(gòu)筑樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)，然后將PLA/CA膜浸漬在含有分散良好的微化微纖維素(MFC) 和親水助劑(TF-629C)溶液中，最后在上面電噴一層含氟聚氨酯(C6FPU)噴霧(基于低表面能自合成聚合物的單側(cè)電噴霧)，促使表面能梯度的形成，表面能梯度可將濕氣吸到最外層擴(kuò)散，為醫(yī)用口罩的透氣散濕過(guò)濾材料開(kāi)發(fā)制備提供新思路。圖6示出仿生多孔Murray纖維膜[24]。

圖6 仿生多孔Murray纖維膜Fig.6 Bionic porous Murray fiber

3.3 環(huán)保再生型過(guò)濾材料

為進(jìn)一步適應(yīng)環(huán)保要求，基于生物基的可降解聚合物，如生物基聚乙烯、生物基聚酯、生物基聚丙烯等紡粘布非織造和熔噴非織造布，有望成為下一代醫(yī)用非織造口罩的過(guò)濾材料[26]。

駐極體、活性炭、負(fù)離子有易衰減和難持久等不足；醫(yī)用口罩還會(huì)因細(xì)菌、病毒在靜電層的沉積，以及水汽等因素導(dǎo)致荷電層的靜電消除。未來(lái)在不破壞口罩材料及微觀結(jié)構(gòu)的情況下，重新將外界電荷補(bǔ)充到濾芯層織物，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)重復(fù)使用是這些材料的研發(fā)重點(diǎn)。文獻(xiàn)[27]肯定了口罩荷電再生重復(fù)使用的技術(shù)方法及其導(dǎo)則。將使用后的一次性醫(yī)用口罩置于56 ℃以上熱水中泡30 min消毒處理，隨后采用電吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇等家用電器設(shè)施對(duì)失效的口罩進(jìn)行吹干和再生荷電處理，3類口罩(一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩和進(jìn)口的KF94口罩)進(jìn)行二次荷電處理后，可恢復(fù)織物大部分原有攜帶靜電量，再生良好的截獲有害微粒的能力，阻隔率與新口罩相當(dāng)(衰減0.5%～1.5%)，口罩的使用壽命延長(zhǎng)3～6倍[28]。本文提到的消毒是針對(duì)病毒滅活，并非要?dú)缂?xì)菌和真菌孢子(需要用超過(guò)160 ℃高溫及高壓才能達(dá)到此目的)。使用過(guò)的口罩上最多的微生物是佩戴者自身口鼻的正常菌群(如葡萄球菌)，而病毒滅活方法不能殺滅它們，所以口罩重復(fù)使用僅限于自用[29]。不過(guò)這也為在非常時(shí)期解決口罩再生重復(fù)使用，提供了一種簡(jiǎn)便易行的方法。

3.4 醫(yī)用口罩設(shè)計(jì)的多工藝和技術(shù)融合

醫(yī)用口罩產(chǎn)業(yè)的背后是材料的競(jìng)爭(zhēng)，也是裝備的競(jìng)爭(zhēng)，更是設(shè)計(jì)思路和技術(shù)融合的競(jìng)爭(zhēng)[30]。要想在口罩領(lǐng)域獨(dú)占市場(chǎng)鰲頭，需極大地依賴新材料的研發(fā)。北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[23]采用3D打印和靜電納米紡絲技術(shù)研發(fā)了醫(yī)用“新風(fēng)正氣”防COVID-19新冠面罩(見(jiàn)圖7)。將呼和吸的氣體進(jìn)行分流，與現(xiàn)有面罩呼吸氣體混雜的情況完全不同，可大幅降低二氧化碳和病毒被再次吸入的概率，使醫(yī)護(hù)人員呼吸安全性顯著提升。另外，在防護(hù)基礎(chǔ)上增加在線消毒功能單元，將呼出氣體引入消毒單元，通過(guò)彩虹絲過(guò)濾膜[19]將病毒攔截后，采用75%酒精進(jìn)行消殺，實(shí)現(xiàn)呼出氣體的安全排放。文獻(xiàn)[31]提出了一種新型智能控制防護(hù)口罩設(shè)計(jì)，采用AT89C52單片機(jī)作為核心處理器，再通過(guò)高速WIFI模塊ESP8266連接手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，利用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)時(shí)控制智能口罩的送風(fēng)模式。

圖7 醫(yī)用“新風(fēng)正氣”面罩示意圖Fig.7 Schematic diagram of mask for medical use of "fresh air and healthy air"

客戶還可根據(jù)自己的需求，擴(kuò)展各種插件定制屬于自己個(gè)性化功能的口罩。醫(yī)用口罩設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可運(yùn)用質(zhì)量功能展開(kāi)(QFD)分析方法，找出顧客對(duì)醫(yī)用口罩需求的關(guān)鍵措施。假如QFD 得出醫(yī)用口罩的核心是過(guò)濾性，那么材質(zhì)的改進(jìn)具有迫切性；電荷對(duì)吸附病毒有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，那么先進(jìn)的帶電過(guò)濾材料可提供高效的過(guò)濾效果與低阻力的呼吸質(zhì)量。綜上指導(dǎo)科研人員抓住主要矛盾，開(kāi)發(fā)出滿足顧客需求的醫(yī)用口罩[32]。

4 展 望

當(dāng)前，醫(yī)用口罩的過(guò)濾材料主要為熔噴超細(xì)纖維非織造布，過(guò)濾層孔隙直徑無(wú)法完美實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑小于3 μm的顆粒、細(xì)菌、病毒的物理隔離，需依靠靜電吸附的方法。中國(guó)商業(yè)工業(yè)研究院發(fā)布的《新冠肺炎疫情背景下2020年中國(guó)口罩行業(yè)市場(chǎng)前景研究報(bào)告》指出，未來(lái)納米纖維口罩將成為口罩發(fā)展新方向。本文研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)置多級(jí)電場(chǎng)，在氣流輔助熔體靜電紡絲噴頭與接收裝置之間加入中心帶孔電極板，使中心帶孔電極板與微分噴頭之間形成一級(jí)電場(chǎng)，與接收電極板之間形成二級(jí)電場(chǎng)；多射流在氣流約束下依次穿越一級(jí)電場(chǎng)和二級(jí)電場(chǎng)，通過(guò)2次接力牽伸，實(shí)現(xiàn)射流的超細(xì)化牽伸，建立了世界上第1套熔體微分靜電紡絲納米纖維工業(yè)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PP、PLA、熱塑性聚氨酯(TPU)、 PET 及 PCL等材料370～780 nm直徑范圍內(nèi)納米纖維的可控制備，其中PP、PLA納米靜電紡非織造布已用于口罩過(guò)濾材料的批量化生產(chǎn)，過(guò)濾性能高于N95標(biāo)準(zhǔn)，但與真正意義上的納米纖維(100 nm) 還有較大差距。理論上講，孔徑為100～200 nm 的納米纖維膜對(duì)小于3 μm的顆粒、細(xì)菌、病毒可有效物理隔離。

膨體聚四氟乙烯(e-PTFE)材料是有望實(shí)現(xiàn)口罩超細(xì)納米化的材料。通過(guò)單向或者雙向拉伸法制備的PTFE薄膜，可得到在三維結(jié)構(gòu)上具備網(wǎng)狀連通、孔鑲套、孔道彎曲等非常復(fù)雜變化，孔徑大小在100～200 nm之間的納米非織造布，但還在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。石墨烯作為世界上已知的最薄二維材料(厚度僅為0.35 nm)，是口罩過(guò)濾材料研發(fā)的方向。

多難興技，突如其來(lái)的COVID-19為新型醫(yī)用口罩過(guò)濾材料的研發(fā)迎來(lái)了新的機(jī)遇，也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。醫(yī)用口罩過(guò)濾材料非織造布的納米化，其功能的高效性、舒適性，使用的環(huán)保性、可重復(fù)性，以及過(guò)濾材料的智能感應(yīng)技術(shù)與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)融合，達(dá)到人機(jī)互動(dòng)必將是未來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。

FZXB