過濾用紡織品在個人防霾口罩中的應用現狀及發展方向
2020-04-15 點擊：
隨著我國城市化的加快和工業化的迅猛發展，空氣污染己成為當下環境污染的一個主要問題。工業、交通和建筑等行業及人類生活中排放了大量的粉塵、煙塵，這對人類的身體健康構成極大的威脅。PM2.5的發布以及嚴重的霧霾現象使國民更注重生存環境和空氣質量。根據美國環境保護部的研究員曾就人類活動模式進行過調查的結果發現，人們在室外停留的時間為13%［1］。那么在日益嚴重的霧霾氣候中生活和工作，人們在戶外只能通過佩帶防霾口罩來獲得潔凈空氣，防止空氣中的微小顆粒進入人體，減少空氣中的污染物對人體的危害。
過濾用紡織品由大量的纖維經過錯綜復雜的排列構建而成的一種多孔隙的紡織用品。當空氣中的微小顆粒接觸到過濾用紡織品時，被纖維阻擋或由于纖維與顆粒間的范德華力或靜電作用被纖維粘住，因此纖維材料作為過濾介質具有良好的過濾效率。
1 過濾用紡織品的研究現狀及在防霾口罩中的應用
隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，人們防護意識也不斷加強，這大大地推動了個人防護口罩的發展。我國使用口罩材料的歷史悠久，但發展速度卻十分緩慢的。20世紀50年代的時候，我國的口罩主要濾料是棉織物。20世紀60年代，我國才開始使用合成纖維作為口罩的濾料。近年來，隨著霧霾天氣的日益加重，人們對舒適性能好、過濾效果優的防霾口罩的需求不斷地增加，空氣過濾用紡織品在防霾口罩中得到了廣泛的應用。
1.1 非織造布防護口罩
常規的非織造布過濾材料的纖維直徑一般在2～10μm之間，其纖維在空間交錯排列且均勻分布，無明顯的方向性，并具有大量的孔隙結構，被過濾的顆粒與纖維在孔隙中廣泛接觸，具有較高過濾效率。在過濾過程中，非織造布過濾材料對微粒的捕集能充分發揮截留、慣性、擴散和重力沉降等機械捕集機理［2］。非織造布口罩主要以非織造布作為口罩的過濾材料，由于制作過程比較簡單、價格低廉而被廣泛用作一次性防塵口罩和醫用防護的材料。
針刺法、濕法、紡粘法、化學粘合法、熱粘合及熔噴法等非織造布的加工方法基本都適用于過濾紡織品的生產。纖維的細度、材料的厚度和纖維纖徑均勻度是影響非織造布口罩的過濾效果的主要因素。纖維直徑的越小，纖維交錯形成的平均網孔孔徑越小，對顆粒的過濾效果就越好。熔噴法是形成纖維最細的非織造布的加工方法。張威［3］就針對熔噴與針刺非織造布對PM2.5過濾性能進行了測試和對比，測試結果發現，隨著風速的不斷增強，過濾阻力增強，所測樣品的過濾效果降低；隨著平方米克重的增加，過濾材料的過濾阻力增強，過濾效果與容塵量也增強。平方米克重相近的針刺類和熔噴類的過濾材料，熔噴過濾材料的過濾效果優于針刺，而容塵量、使用壽命卻弱于針刺過濾材料。因為熔噴法非織造布利用高溫高速氣流噴吹從而產生的拉伸作用而生產出來的，纖維直徑一般在0.5～4.0μm之間，形成的孔隙小而多，纖維網絡結構對顆粒物起到很強的截留和阻礙作用，實現較優的過濾效率［4］。
1.2 駐極體防護口罩
駐極體是指具有長期儲存空間和極化電荷能力的固體電介質材料，具有在無外電場的條件下能自身產生靜電作用力的特性［5］。駐極體口罩濾布是在非織造布的基礎上進行改進而得到帶靜電的過濾材料。該濾料不但有通過慣性沉積、重力沉積和擴散效應等機理，而且還可以依靠附在纖維表面的靜電荷與顆粒物間的靜電效應對氣體中流動顆粒進行攔截、阻擋，達到很高的過濾效果和防護效果。由于在物理的過濾機理上增加了靜電效應，因此過濾效率提高了，呼吸氣阻力卻沒有增強。
駐極體用作過濾材料，最初是1976年由J.Van Tumhout等人制成切割成小條狀的聚丙烯薄膜，將這種帶電小條加工成折皺狀態即形成駐極體纖維。鑒于駐極體空氣過濾器具有低流阻、高效率、長壽命、高集塵能力及節省能源等優點，使得這類空氣過濾材料的研究發展十分迅速［6］。朱暉［7］對比了駐極體濾料和常用民用空氣過濾材料對PM10、PM2.5及PM1.0的過濾特效果，得出駐極體的過濾效果較佳。劉超［8］研究了經過駐極處理的熔噴濾料過濾效果的影響，經過駐極處理的濾料能夠有效地提高過濾效率，同時保持呼吸阻力不變，并隨著駐極電壓增強，過濾效果提高。夏嬋［9］就駐極體、無紡布、棉質口罩濾料凈化PM2.5的特性進行了研究，發現駐極體濾料不但具有復合濾料的高效特性，還具有紗布的低阻。
1.3 活性炭口罩
活性炭纖維是20世紀70年代開發出的新型功能性吸附材料，它采用有機纖維為原料，經碳化、活化后制成［10］�；钚蕴渴且环N具有多孔結構和大的內部比表面積的吸附材料，具有較高的吸附能力。由于活性炭纖維直徑較小，一般在10～13 μm，之間，纖維外表面積大，吸附容量大，吸附效率高［10］。因此，活性炭口罩不僅具有一定的過濾性能，還具有一定的抑菌性。
目前市場上的活性炭口罩一般以活性炭纖維作為中間過濾層，再與無紡布或棉布進行復合。余巧等［11］人采用熔噴材料與活性炭復合作為濾芯，選用純棉水刺非織造布作為內外層，并對所制備的口罩進行透氣性、過濾性能地測試，測試結果表明該活性炭口罩的過濾性能及透氣性能均較佳。陶玥［12］制備了一種載銀活性炭纖維，即活性炭纖維表面均勻分布了20～40nm的銀顆粒。將該纖維用于口罩濾芯與40～45g/m2無紡布復合。該活性炭纖維不但具有良好的過濾性能，還具備優異的抗菌性能，且安全穩定無毒。
1.4 納米復合口罩
納米纖維的直徑一般為0.04～2.00μm，由其所形成的納米纖維膜則具有比表面積高、孔隙率高、孔隙小、孔徑聯通性和透氣性好，擁有優異的空氣過濾能力和較低吸氣阻力［13～14］。由于受生產條件和成本的限制，目前還沒有納米口罩推出市場。但是由于納米纖維所具備的特性非常適合在空氣過濾材料上應用，許多學者一直進行該方向的研究。
劉萬軍等［15］研究設計了熔噴-靜電紡-熔噴納米復合非織造材料的過濾性能，研究結果表明，復合一層0.029～0.116μm的納米纖維膜后，熔噴材料的過濾效率從38.1%提高到99.0%以上，能夠有效阻截空氣中的微小顆粒和病毒等有害物質，可以應用于高效防護口罩。范靜靜等［16］用粘膠水刺非織造布做基布，紡制載有沒食子的醋酸纖維素納米纖維，再用丙綸紡粘非織造布蓋在表層，所形成的復合結構防護口罩材料對1μm以下的粒子的過濾效率達到69.76%，具有優異在抗菌性能。劉雷艮等［17］采用靜電紡絲技術制備直徑為0.088μm左右的錦綸6與殼聚糖混合的納米纖維，并與丙綸熔噴非織造布復合，制備無毒無害高效防塵口罩的過濾材料。
2 防霾口罩過濾紡織用品的發展方向
隨著我國霧霾天氣的增多和空氣質量的下降，呼吸防護用品特別是防霾口罩將會迎來新的發展機遇。但是目前市場上銷售的防霾口罩仍存在一些缺陷，如口罩的舒適性、耐用性、安全性和功能性等問題。要改良這些性能必須解決以下幾個關鍵技術。
2.1 解決口罩濾料的過濾效率和呼吸阻力之間的矛盾關系
口罩的呼吸阻力是由于人體佩戴口罩后，呼吸氣經過口罩所產生的摩擦力而形成。呼吸阻力的增加不但會導致佩戴者換氣不足，使佩戴者產生胸悶氣短、呼吸困難的感覺，還會降低口罩的密封性，導致漏氣量增加，影響口罩的過濾性能［18～19］。目前市場上的許多口罩的濾料過濾性能好但呼吸阻力大，呼吸阻力小的過濾性能差，兩者成反比關系。因此，進一步提高口罩濾料的過濾效率的同時降低口罩的呼吸阻力，即開發高效低阻的口罩濾料是防霾口罩紡織品的發展方向之一。
2.2 提升防霾口罩的舒適性
口罩的舒適性除了要求口罩濾料有一定透氣、透濕和散熱的功能外，還必須使用對人體沒刺激和安全的材料。目前市場上防霾效果較好的個人防護口罩主要成分是化學纖維等，他們的生物相容性不如許多天然纖維，但是天然纖維由于纖維比較粗，所制造的口罩濾料的孔徑較高，無法阻擋空氣中細小的顆粒。近年來，天然纖維材料的再生利用的興起為口罩濾料提供了一些生物相容性好的原料。
2.3 增強口罩的功能性
工業的快速發展加劇了空氣的污染，空氣中除了有粉塵外，還存在許多對人體有傷害的物質，如氮氧化物、二氧化硫以及一些受燃煤排放的重金屬元素［20～21］。因此，仍需要開發一些功能性的濾料，在過濾空氣中微小顆粒同時，還能夠吸附和降解空氣中的有害物質。另外，空氣中也存在著一些細菌，人們在佩戴口罩的過程中，也容易滋生細菌，因此，賦予口罩濾料優異的抗菌或抑菌性，可以使消費者用得安心。
2.4 降低防霾口罩使用成本
目前許多防霾口罩都是一次性口罩，不可重復使用，但銷售價格非常昂貴，比如3M公司的防霾口罩的價格為十幾到二十幾元，綠盾的防霾口罩也是十幾元一個，消費者使用成本非常高，嚴重影響消費者的使用欲望。因此，降低一次性防霾口罩的生產成本與開發可以重復使用的防霾口罩濾料，降低使用者的使用成本將是今后過濾用紡織品的一個重要發展趨勢。
3 結語
霧霾天氣的不斷增加，促進了個人防護口罩的消費，目前市場上的防霾口罩仍需進一步的改進。隨著科技的發展和進步，許多新型材料和先進技術被不斷地研究和開發并應用到過濾用紡織品上，將會進一步提高口罩的過濾性、舒適性、功能性和耐用性，同時降低其呼吸氣阻力和生產成本。
