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国内可重复使用口罩研发现状口罩是指放在口腔的上,过滤有害气体、灰尘、飞沫、细菌和其他材料,以防止有害气体、灰尘和其他材料进入口腔和鼻部的防护装置口罩在呼吸道病毒性传染病流行时期是重要的个人防护用品之一,可有效阻断颗粒物、细菌和病毒的传播途径,保护易感人群免受感染,在感染预防和传染病控制中起到了举足轻重的作用疫情初期上海政府部门牵头产业链,推出国内首款可重复使用的N95防护口罩1可重复使用口罩总结
1.1可重复使用口罩的范围国内口罩主要分为民用口罩、医用口罩和工业防护口罩3类
1.2发生消毒处理口罩在佩戴过程会阻隔灰尘、飞沫,吸附大气细菌、病毒、颗粒物等污染物,也会被佩戴者汗液、口腔分泌物、食物残渣、油脂等污染,甚至会产生异味,威胁佩戴者身体健康因此,口罩重复使用须定期对口罩进行洗涤,彻底去除口罩上吸附的污染物此外流感多发期或肺炎疫情期还要对可重复使用口罩定期进行消毒处理以避免细菌和病毒感染因此,可重复使用口罩进行复用需定期对口罩进行消毒清洗以保证口罩自身清洁卫生可重复使用口罩复用时,合理有效的洗消方式极为重要《可重复使用民用口罩》团队标准规定制造商提供的消毒和清洗方法宜合二为一,如不能合二为一,应先消毒再清洗,宜选用不破坏口罩过滤层荷电及结构的消毒和清洗方法,以及能使口罩过滤层荷电再生的宜家干燥方法,并明确规定洗消次数(不少于3次)和佩戴时间(不低于24h)《可水洗重复使用织物口罩》团体标准规定了更严格的重复使用次数(50次),并进一步明确洗消方式(洗衣机机洗、医用酒精消毒)根据我国新型冠状病毒肺炎诊疗方案
1.3过滤效率分析以一次性医用口罩为代表的抛弃式口罩虽具有高防护效果,但通常采用驻极熔喷布作为核心滤材,消毒清洗后熔喷布携带的荷电会大幅衰减甚至完全耗散,口罩过滤效率大幅降低中国香港科技大学团队可重复使用口罩核心特点是其可耐受常规洗消操作,防护性能不随佩戴时间和洗消次数增加而显著降低,因而复用后也可为佩戴者提供高的防护效果,如图1所示
1.4驻极聚丙烯熔喷布现代口罩通常由3层以上滤材组成,每层具备不同效果医用外科口罩一般由3层组成,外层多采用疏水纺黏非织造布,防止飞沫飞溅;中间层多采用驻极聚丙烯熔喷布,承担主要过滤作用;内层多采用亲水非织造布,可吸收佩戴者呼出的水汽可重复使用口罩结构通常与医用外科口罩保持一致,也采用3层设计,如图2所示两者主要区别是可重复使用口罩使用耐洗消滤材代替熔喷布作为中间层,此外考虑到易清洗、亲肤、触感及美观等因素,内外层多采用棉质滤材,并且很多可重复使用口罩还对外层和中间层滤材进行抗菌、抗病毒处理,以抑制细菌和病毒在口罩上的滋生
1.5口罩性能要求单个病毒尺寸很小,但其在空气中传播以飞沫
05.OOum或气溶胶l.00~
5.0iini为载体医用外科口罩要求对
3.00uni细菌气溶胶过滤效率295%,KN90和KN95口罩对
0.26Hm NaCl颗粒的过滤效率分别大于90%和95虬因此,佩戴这些口罩均可有效阻断COVID-19病毒传染途径,一方面可保护自己免受病毒飞沫和气溶胶感染,同时还能保护他人免受自己呼出的病毒感染表1中《可重复使用民用口罩》团体标准和《可水洗重复使用织物口罩》团体标准对口罩洗前和洗后过滤效率和过滤阻力做出明确规定,《可重复使用民用口罩》团体标准对口罩性能要求基本与KN90口罩一致,《可水洗重复使用织物口罩》要求过滤效率和呼吸阻力性能介于医用外科口罩和KN90口罩之间,初级口罩PFE要大于70%,此外还对口罩抑菌率提出新要求两份团体标准对可重复使用口罩洗前和洗后防护效果要求均明显高于医用外科口罩,符合上述两个团体标准可重复使用口罩不仅可高效拦截空气中污染物颗粒和飞沫,对细菌和病毒气溶胶也具有良好的防护效果但目前市面上很多可重复使用口罩虽标注为可重复使用,但仅新口罩执行医用外科口罩或KN95口罩等标准,口罩多次复用后性能没有相应执行标准如《可重复使用民用口罩》团体标准和《可水洗重复使用织物口罩》团体标准所规定,合格可重复使用口罩不仅初始性能,更重要的是按规定洗消方式复用规定次数后,其性能依旧符合上述团体标准或医用外科口罩和KN95口罩等主流口罩标准要求
1.6洗消装置上的风险虽然目前没有相关先例和评估,但值得警惕的是可重复使用口罩是否有成为新的病毒污染源的可能性,口罩在洗消过程是否存在细菌和病毒转移到洗消装置上并最终感染用户等风险未知因此,可重复口罩仅建议日常生活中用于阻隔微生物、飞沫、花粉等颗粒物使用;或大规模区域性肺炎、流感等疫情,以及其他防控应急情况下口罩供应急剧短缺状况下在低风险地区和场所作为应急使用,不推荐密切接触者、医护人员和防疫人员使用疫情期间在中高风险地区或区域,居民应严格佩戴医用外科口罩或KN95口罩等抛弃式口罩,且不建议重复使用2口罩重复使用的条件可重复使用口罩的核心滤材能否经受多次洗涤和消毒操作并继续保持高的过滤效率和低的过滤阻力是口罩能否重复使用的关键所在复用规定次数后防护效果和呼吸阻力等核心性能满足相关口罩标准且具有良好抗菌、抗病毒性能的口罩是目前可重复使用口罩的重点研发方向不同滤材实物图和SEM图片(200倍)如图3所示
2.1口罩荷电再生重复使用驻极熔喷布(图3a)是目前常用的重要口罩滤材之一,广泛用于各种防护等级医用和民用口罩中口罩熔喷布多为聚丙烯材质,具有良好耐温、耐溶剂性能和良好的机械强度,但熔喷布纤维携带荷电遇水或乙醇等溶剂或高温处理后会减少或完全消除,导致熔喷布过滤效率大幅下降,因此无法长期或重复使用为应对驻极熔喷布不耐水洗问题,疫情初期,北京化工大学陈建峰院士团队开发口罩荷电再生重复使用技术,采用便携式静电发生器(如家用电器)对普通一次性医用口罩进行二次荷电处理,使其再生静电效应而达到可重复使用,经测试,口罩经10次荷电再生循环后,其过滤效率仍与新口罩相当北京化工大学张立群团队也研发出一种高荷载电荷-高抗静电衰减、抑菌、抗老化三合一熔喷布,该材料口罩在60℃水中浸泡30min,晾干或吹干后即可再次使用,可至少使用3天该熔喷布已实现产销数千吨,为可重复使用民用口罩提供重要材料支撑
2.2材料及滤材用量传统熔喷布并不适合作为可重复使用口罩的核心滤材,选用耐洗消且高效低阻的新滤材是开发可重复使用口罩的关键如图3a—图3d所示,目前市面上的可重复使用口罩通常选用e PTFE纳米薄膜、纳米纤维膜、核孔膜等滤材其中ePTFE纳米薄膜滤材成本相对低、产能充足、过滤性能好,在可重复使用口罩中使用广泛这些滤材主要依靠物理过滤效应,无需荷电也能实现高的过滤效率,因此经过常规洗消操作后仍可能保持高的过滤效率,适用于制作可重复使用的口罩
2.
2.1膨体聚乙烯薄膜ePTFE纳米薄膜是以聚四氟乙烯为原料,经过预混、压制初坯、推挤、压延、脱油和单向或双向拉伸等工艺生产的具有结点-细纤网状结构的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜
2.
2.2纳米纤维膜纳米纤维膜是由聚合物溶液或熔体在静电场力(静电纺丝
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2.3复合滤材过滤性能核孔膜是利用高能重离子轰击聚合物薄膜后再通过化学刻蚀扩孔得到新型滤膜核孔膜选用高强度聚合物薄膜作为基膜,其具备较高强度,可在洗消过程中保持结构稳定性ePTFE薄膜和纳米纤维膜以纳米级纤维为主体,其机械强度相比熔喷布和核孔膜要低很多,实际使用时需与高强度基材进行复合,以避免洗消过程发生破损目前市面上ePTFE薄膜和纳米纤维膜多采用单面复合或双面复合方式,通过测试发现双面复合滤材耐洗消性能远高于单面复合滤材,双面复合且复合较紧密的滤材在洗消过程中依旧能保持滤材纤网结构的完整性,多次洗后过滤效率仅轻微下降通过选用不同规格ePTFE滤材,分别制作出洗前和手洗30次后均符合《医用外科口罩》和《呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器》(KN95)标准的可重复使用口罩
2.3可重复使用口罩的抗菌性能可重复使用口罩不仅应耐洗消,还应具有良好的抗菌、抗病毒性能可水洗重复使用织物口罩团体标准对口罩洗前和洗后抑菌率做出明确规定疫情期间多家研究机构和企业将具有抗菌、抗病毒功能的面料或滤材用于口罩外层或中间层,开发出具有良好抗菌、抗病毒性能的功能口罩,通过抑制细菌和病毒在口罩上滋生或实现自清洁功能,降低洗消频次,进而延长使用时间2020年6月中国纺织工程学会批准《纺织品抗病毒、抗菌整理剂及其功能评价》团体标准立项,随后8月《抗病毒功能纺织品》团体标准也由中国保健协会审批立项,为可重复使用口罩的抗菌、抗病毒测试提供有力依据目前市面上抗菌、抗病毒滤材主要分为3类第1类是直接选用天然抗菌(如甲壳素纤维、麻纤维、竹纤维)或改性抗菌(如壳聚糖、优可丝EcoCosy)纤维制作滤材,如青岛大学的海藻纤维口罩,抑菌率达95%以上;第2类是在纺丝过程中将具有抗菌、抗病毒的无机抗菌材料(银、铜、锌纳米颗粒、石墨烯等)引入传统滤材中,如中国香港向全港市民免费派发可重复使用的铜芯抗疫口罩(如图4所示),可重复使用60次,中国航天航材院开发的可重复使用石墨烯口罩,可连续佩戴48h;第3类是使用天然(如黄苓、姜黄、芦荟等)或合成(如季镂盐类化合物、聚六亚甲基双呱盐酸盐)的有机系抗菌剂对传统滤材、面料进行表面改性、后整理,使之具有抗菌或抗病毒功能,如广东溢达纺织有限公司通过对口罩外层面料进行抗菌后整理,开发出高效抗菌可水洗棉布口罩,水洗30次后抗菌率仍高于90%o单靠抗菌、抗病毒口罩的自清洁功能而不进行洗消难以一直保持口罩的清洁卫生,但是口罩抗菌抗病毒是对耐洗消的良好补充,抗菌、抗病毒功能配合适宜的洗消方式,既可降低口罩洗消频次,又可提供多一重防护3可重复使用口罩的用途和使用成本随着疫情形式的好转,医用外科口罩等抛弃式口罩的供应已经充足,市场对可重复口罩的需求将逐渐回归正常水平可重复使用口罩的主要用途也会由疫情期间口罩供应短缺时的应急防护转向日常生活中的空气污染物、微生物和花粉等颗粒物的防护可重复使用口罩的使用会显著降低消费者口罩佩戴成本,同时可减少口罩使用量,节省资源,避免废弃口罩对环境的污染口罩供应充足期间,可重复使用口罩需凭借优良设计、优秀性能、可靠质量和合理价格方能在民用口罩市场占据优势,为消费者较广泛接受和使用,在民用口罩市场中长期占有一席之地。