汪澤幸 吳桂林 吳 璠 何 斌 陳小英

（1.湖南工程學院，湖南湘潭，411104；2.深圳市微納先材科技有限公司，廣東深圳，518035；3.東莞健賢紡織品科技有限公司，廣東東莞，523916）

目前，口罩多采用聚丙烯（PP）紡黏無紡布和熔噴無紡布制備而成，其主要依靠熔噴無紡布所帶靜電產生的吸附作用而實現(xiàn)高效過濾效果，但其靜電效應受環(huán)境溫度、濕度、時間等因素的影響［1?2］，防護效果失效難以判定。此外，現(xiàn)有口罩多為一次性，且不可自然降解，對環(huán)境的危害性極高。疫情防控期間，為緩解口罩供應緊張局面和降低環(huán)境壓力，眾多學者在一次性口罩的可重復利用方法以及可重復使用口罩制備等方面進行了有益的探索。對于一次性口罩，可根據過濾材質類型選用干熱消毒、熱水浸泡、酒精浸泡或噴灑、84消毒液浸泡、微波消毒、紫外消毒、射線輻照消毒或環(huán)氧乙烷滅菌法等方式對口罩進行消毒再生［3?5］。但考慮到PP熔噴無紡布的機械性能以及消毒方式對靜電荷性能的影響，現(xiàn)有以PP熔噴無紡布為核心過濾層的口罩并不適宜采用直接水洗或酒精消毒［6?7］。此外，現(xiàn)有口罩多采用純鋁或鐵芯鼻梁條，因微波會在金屬中產生渦流，產生大量的熱量，可能導致金屬熔化，造成口罩損壞，甚至產生火花或爆炸，因而采用含金屬材質鼻梁條的口罩，亦不適宜采用微波消毒。

在可重復使用口罩方面，采用聚四氟乙烯覆膜材料為核心過濾層的防護口罩，經3次沸水浸泡后，其過濾效率下降15%左右［8］；而采用膨體聚四氟乙烯膜制備的口罩，經3種消毒方式（沸水煮、75%酒精和84消毒液）整體消毒20次后，其過濾效率依然保持在95%以上。但現(xiàn)有研究均未能考慮消毒流程對口罩呼吸阻力的影響，亦未考慮核心過濾材料和面層面料的耐洗滌性能。

在佩戴過程中，口罩與皮膚接觸等部位易臟污、滋生細菌，影響衛(wèi)生；微細顆粒物的沉積亦會導致口罩的過濾阻力增加，影響佩戴舒適性。現(xiàn)有消毒方式主要考慮對口罩表面殘留細菌或者病毒的殺滅作用和對過濾效率的影響，無法有效去除口罩表面臟污和沉積的微細顆粒物。對于可重復使用口罩，不僅需要關注消毒方式對口罩防護性能和呼吸阻力的變化，還需考慮其耐洗滌性能。

本研究基于靜電紡絲制備的聚酰亞胺（PI）納米纖維膜與機織物面料制備防護口罩，對其視野、死腔、呼吸阻力、過濾效率、總泄漏率等性能指標進行測試和分析，以評估所制備口罩的防護效果和舒適性；對洗滌后防護口罩的呼吸阻力和過濾效率進行測試，以評估其耐洗滌性能。

1 樣品制備與性能測試

1.1 試驗材料

考慮到耐用性，選用單位面積質量為150 g/m2的滌/棉90/10機織物為外層面料，單位面積質量為125 g/m2的棉/麻90/10機織物為內層面料，單位面積質量為4 g/m2的靜電紡絲PI納米纖維膜為過濾層（江西先材納米纖維科技有限公司提供）?？紤]到防護口罩需具有一定的剛度，以確保呼吸過程中，防護口罩內表面不與面部、口鼻直接接觸，并形成一定體積的腔體，增加有效透氣面積，選用單位面積質量為28 g/m2的純滌綸經編網布為支撐層。

1.2 樣品制備

1.2.1 復合面料制備

PI納米纖維膜單位面積質量較低、納米纖維表面能較高且靜電現(xiàn)象明顯，易黏手，不便于后續(xù)加工。此外，PI納米纖維膜因在制備過程中歷經單向牽伸作用，其雙向拉伸力學性能差異顯著，由其制備的防護口罩在使用和洗滌過程中，在外力作用下易產生撕破現(xiàn)象，導致防護性能降低或失效。

基于此，采用濕氣固化反應型聚氨酯（Poly?urethane Reactive，PUR）熱熔膠點黏合方式制備外層用滌棉織物/PI納米纖維膜復合面料和內層用經編網布/棉麻織物復合面料。為兼顧防護口罩的透氣性和耐用性，PUR熱熔膠上膠量控制在18 g/m2～20 g/m2范圍內。

1.2.2 防護口罩樣品制備

為確保防護效果，并提高有效過濾面積，使用對稱折疊結構形式在口鼻處形成空腔，并可確保防護口罩與鼻梁、下巴部位具有良好的吻合性?？紤]到現(xiàn)有鼻梁條耐折性較差、可塑性不強，無法確保口罩與鼻梁處的密封性，故在防護口罩制備過程中，選用耐折性好、可塑性強的特種合金材料制備的專用鼻梁條，以確保防護口罩與鼻梁處具有較好的密封性。防護口罩結構示意圖見圖1。防護口罩樣品由東莞健賢紡織品科技有限公司采用縫紉法制備而成。

圖1 防護口罩結構示意圖

1.3 性能測試

樣品制備前，依據GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規(guī)范》，委托中國紡織工業(yè)聯(lián)合會檢測中心（東莞）根據GB/T 7573—2009《紡織品 水萃取液p H值的測定》、GB/T 2912.1—2009《紡織品 甲醛的測定 第1部分：游離和水解的甲醛（水萃取法）》和GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》分別對滌棉織物、棉麻織物的p H值、甲醛含量與摩擦色牢度進行測試。此外，亦依據GB/T 17592—2011《紡織品禁用偶氮類染料的測定》，對可分解致癌芳香胺染料的含量進行測定。

樣品制備完成后，依據GB 2626—2019《呼吸防護用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，委托江蘇國健檢測技術有限公司對防護口罩樣品的外觀進行檢查，對呼吸阻力、死腔、視野、過濾效率、總泄漏率進行測試；按GB/T 8629—2017《紡織品試驗用家庭洗滌和干燥程度》對防護口罩進行50次洗滌和干燥，并依據GB 2626—2019對洗滌后的防護口罩過濾效率、呼吸阻力進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 材料安全性

檢測發(fā)現(xiàn)，外層滌棉織物與內層棉麻織物的pH值分別為6.3和7.1，干摩擦色牢度分別為4—5級和4級，甲醛與可分解致癌類芳香胺染料均未檢出，且均無異味，符合A類紡織品（嬰幼兒紡織品）的安全技術要求。

2.2 防護口罩性能

2.2.1 外觀質量

檢測顯示，防護口罩樣品表面無破損、變形或明顯的其他缺陷，能耐受正常使用條件和可能遇到的溫度、濕度和機械沖擊；經溫濕度預處理和機械預處理后，樣品各部件未出現(xiàn)脫落、損壞和變形。表明所制備的防護口罩在外觀質量方面滿足要求。

2.2.2 死腔與視野

為增加有效過濾面積，降低呼吸阻力，通常將口罩前部設計成拱形［9］，從而在口鼻處形成一定空間的腔體。腔體過小，會導致呼吸過程中口罩貼近臉部，影響佩戴舒適性能；腔體過大，雖可顯著提高防護口罩的有效過濾面積，但會過度降低口罩視野，直接影響佩戴者對環(huán)境的觀察能力，影響正常的活動，在某些特殊危險環(huán)境下，佩戴口罩后視野太小可能會導致工作上的失誤甚至會造成生命危險。為確保佩戴口罩后依然具有良好的觀察能力，GB 2626—2019要求佩戴防護口罩后，下方視野不低于35°，雙目視野不低于65%。此外，腔體過大時，因呼出的CO2氣體無法與外界進行有效交換，導致口罩內CO2氣體濃度增加，當CO2氣體體積分數超過2%時，將出現(xiàn)呼吸性障礙［10］。為確保呼吸舒適，GB 2626—2019亦要求死腔不大于1%，即前一次呼氣中被重新吸入的CO2氣體的體積分數不超過1%。設計防護口罩時，腔體的大小應兼顧呼吸阻力、視野和死腔因素。

經檢測，制備的防護口罩下方視野為72.2°，為國家標準下限值的2.07倍；雙目視野為86.3%，為國家標準下限值的1.32倍；死腔為0.65%，為國家標準上限值的0.65倍。表明所制備的防護口罩結構設計合理，不僅具有高視野，同時還兼具較低的死腔。

2.2.3 呼吸阻力、過濾效率與總泄漏率

口罩的主要作用為預防因吸入性致病或有害顆粒物而導致各種呼吸道疾病，其主要借助過濾材料將致病或有害顆粒物從空氣中過濾，高過濾效率是確?？谡志哂辛己梅雷o效果的前提，但高過濾效率通常會導致呼吸阻力過高。

呼吸阻力是衡量佩戴口罩時呼吸通暢度的指標，呼吸阻力越小則呼吸越通暢，呼吸阻力過大則易引起呼吸疲勞［11］。對于防護口罩，呼吸阻力不僅與過濾材料的透氣性能密切相關，同時受到有效過濾面積的影響，與口罩外形設計相關。為確保呼吸通暢，在防護口罩設計和制作時，亦需考慮佩戴口罩時的呼吸阻力。

因空氣中懸浮的微粒極其微小，且會隨空氣流動，當口罩與面部之間存在縫隙時，因縫隙處氣流阻力遠低于過濾材料，氣流會優(yōu)先流向低氣流阻力的縫隙處，導致空氣中致病或有害顆粒物未經過濾材料直接進入口罩內部，嚴重影響防護效果或導致防護失效，因而密合性是確保防護口罩具有良好過濾性能的關鍵。故還需通過口罩外形設計，借助鼻梁條，使防護口罩與面部緊密貼合。

依據GB 2626—2019，所制備的防護口罩呼吸阻力與過濾效率測試值如下。

可以看出，預處理前后防護口罩的吸氣阻力均低于110 Pa，呼氣阻力均未超過85 Pa，且過濾效率超過99%，表明所制備的防護口罩其呼吸阻力和過濾效率均超過KN 95級防護口罩的技術要求（吸氣阻力≤210 Pa，呼氣阻力≤210 Pa，過濾效率≥95%）。

依據GB 2626—2019，所制備的防護口罩總泄漏率（Total Inward Leakage，TIL）測試結果見表1。表1中D1～D5表示5種按時間要求順序完成的規(guī)定動作。D1為頭部靜止、不說話，2 min；D2為左右轉動頭部看檢測倉的左右墻壁（大約15次），2 min；D3為抬頭或低頭看檢測倉的頂部和底部（大約15次），2 min；D4為大聲閱讀一段文字（如數數字）或大聲說話，2 min；D5為頭部靜止、不說話，2 min。10名受試者中1～5為佩戴口罩未處理樣，6～10為佩戴口罩預處理樣。

從表1中可以看出，以每個動作的總泄漏率為評價基礎時，10名受試者每人5個動作共計50個動作中TIL最大值為9.6%；以每人的總體TIL為評價基礎時，10個受試者的TIL均未超過7.3%。結果表明所制備的防護口罩TIL超過GB 2626—2019對KN 95級防護口罩的要求（每個動作的TIL小于11%，受試者的總體TIL小于8%），其與面部之間的氣密性較好，制備工藝與各層面料選用合理。

表1 總泄漏率檢測結果

2.3 可重復使用性能

按GB/T 8626—2017標準中4H程序洗滌50次后，防護口罩外形無明顯變化，表明其結構穩(wěn)定性較好，故而僅對洗滌后樣品的過濾效率和呼吸阻力進行檢測，檢測結果如下。

可以看出，歷經50次洗滌后，防護口罩預處理前后的過濾效率依然超過92%，吸氣阻力均低于98 Pa，呼氣阻力均低于79 Pa。過濾效率與呼吸阻力性能指標均優(yōu)于KN 90級防護口罩的技術要求（吸氣阻力≤170 Pa，呼氣阻力≤170 Pa，過濾效率≥90%）。

經對比，洗滌后的防護口罩過濾效率下降約7%，吸氣阻力和呼氣阻力也均有下降，呼吸通透性提高。這主要是因為洗滌后，PI納米纖維膜表面存在磨損現(xiàn)象，由磨損部位材料變薄所致。

3 結語

本研究以PI納米纖維膜為過濾層，采用縫紉法制備可重復使用防護口罩，依據GB 2626—2019對其關鍵性能指標進行了測試和評估。測試結果表明，所制備的防護口罩具有視野范圍大、死腔小、過濾效率高、呼吸阻力低以及總泄漏率低等優(yōu)點，各項性能均超過KN 95級防護口罩的技術要求。50次洗滌后，防護口罩過濾效率與呼吸阻力有所下降，但過濾效率與呼吸阻力性能指標均優(yōu)于KN 90級防護口罩的技術要求，表明PI納米纖維膜耐洗滌，過濾效率與透氣性能穩(wěn)定，可作為重復使用防護口罩過濾材料使用。但研究中也發(fā)現(xiàn)，洗滌后防護口罩過濾效率有所降低，主要是由于PI納米纖維膜表面耐磨性能不足所致，因而在PI納米纖維膜表面改性與復合工藝方面還需做進一步研究。