高性能非織造布在校園安全防護中的應用

1空氣過濾材料根據(jù)世界衛(wèi)生組織（who）的研究報告，世界每年有200多萬人因污染而死亡。中國環(huán)境規(guī)劃研究院關于我國空氣污染的評估報告則稱,中國內(nèi)地空氣污染面積已占國土總面積的1/4,每年由此導致的死亡人數(shù)約為35萬~50萬人?？晌腩w粒物不僅日益惡化著公共環(huán)境,更嚴重威脅著人們的健康。因此,歐洲要求空氣中PM10可吸入顆粒物的濃度,即直徑10μm或更低的顆粒物,在24h內(nèi)以平均值計不得超過50μg/m北美地區(qū)對空氣質量的要求也十分嚴格,24h內(nèi)PM2.5的顆粒物要求在35μg/mWHO對可吸入顆粒物控制提出了建議性指標,即24h時間段PM2.5為25μg/m過去10年間,面對持續(xù)惡化的公共環(huán)境和不斷出現(xiàn)的傳染病疫情,諸如B型肝炎、艾滋病、禽流感各種變異病毒以及呈蔓延之勢的超級細菌(MRSA)帶來的危害,一些空氣過濾材料生產(chǎn)商如北美Foss公司等適應市場需要,開發(fā)了新一代呼吸器和外科手術面罩用的抗霉菌系列“Fosshield”過濾材料,受到了市場的普遍青睞。目前市場上的個人面部防護裝置和外科手術面罩性能有所不同,表1為部分面部防護裝置和不同過濾介質的使用性能比較。大量研究表明,醫(yī)用口罩、外科手術面罩和護理口罩并不是為預防空氣中的有害顆粒物而設計的,這類口罩不能替代經(jīng)過認證的呼吸防護裝置。2高性能非織布過濾材料2.1fsc-f-29e呼吸過濾材料與過濾介質熔噴非織造布作為過濾介質在面部防護制品上已廣泛使用,如美國H&V公司呼吸器選用的濾材中,N95面罩所使用熔噴非織造布過濾材料的克重包括30、40和50g/m近年來,功能性熔噴過濾材料的開發(fā)和應用受到了很多生產(chǎn)廠家的注意,如Vogmask面罩即選用聚丙烯(PP)微細旦熔噴非織造布作過濾介質的選材。上海NYK合資工廠生產(chǎn)的FSC-F-99E呼吸器,過濾介質選用4種非織造布材料復合而成:第1層使用非織造布,第2組分為抗菌非織造布,第3層選用熔噴非織造布為過濾層,第4層為支撐層,該層在設計上具有可重復再用功能。FSC-F-99E呼吸器取得了Nelson實驗室的認證,初始氣流阻力為114.7~123.5Pa,過濾效率可達99.882%~99.928%。以下就此兩類用作面部防護的新型濾材作簡要介紹。(1)熔噴纖維網(wǎng)材料研究人員選擇了具有多孔隙結構的非制造布材料,即采用熔噴非織造布和短纖維網(wǎng),通過特定的空氣網(wǎng)絡方法制得的多孔隙復合型材料。熔噴材料與短纖維網(wǎng)經(jīng)空氣網(wǎng)絡處理后,過濾性能得到提升。短纖維組分的添加可明顯改善過濾介質的抗壓實性能,提高過濾和抗堵塞能力,而熔噴纖網(wǎng)中的中旦纖度組分可有效屏蔽細微粒子。表2為多孔隙復合過濾介質兩種纖維材料的技術特征。該呼吸器使用的熔噴纖維網(wǎng)通常由兩種纖度各異的纖維組成,其中單絲直徑小于10μm的網(wǎng)約占30%~50%,中旦網(wǎng)材的單絲直徑大于10μm。細旦和中旦兩組分網(wǎng)材可以采用同種或不同種聚合物。短纖網(wǎng)可選擇的纖維品種包括PET、PP、PA或PE,纖維的線密度為4D和6D,卷曲度10~30個/cm,熱粘合纖維的添加比例為50/50或30/70。多孔隙非織造布過濾材料的復合工藝是在專門的裝置上完成的。熔噴非織造布的紡絲成形采用雙螺桿擠壓機配置,以提供兩種規(guī)格或兩種不同聚合物的熔噴纖維網(wǎng)。兩種熔噴網(wǎng)復合采用空氣網(wǎng)絡工藝,以增強細旦與中旦纖維網(wǎng)間的抱合性能。在卷取前和短纖網(wǎng)復合亦采用空氣網(wǎng)絡方式,其后卷取成形。使用多孔隙非織造布復合結構過濾介質的呼吸器,過濾性能良好。(2)分離性能和可滲透率大量的研究成果顯示,對熔噴纖維網(wǎng)進行等離子處理,可以賦予纖維材料以持久的親水性、良好的過濾/分離性能和可滲透性。Loads技術大學的研究團隊在面部防護裝置過濾材料的研究中,選擇克重為80g/m通過添加改性劑即添加各種靜電劑的方法,以提高駐極熔噴過濾材料對顆粒物捕集能力的研究亦表明,使用熔融指數(shù)為0.34g/10min的PP原料,當熔噴纖維網(wǎng)的克重為90g/m2.2細膠囊的過濾介質分裂紡(Nanoval)非織造布亦被稱為最細的紡絲成網(wǎng)產(chǎn)品,利用該設備紡制的PP網(wǎng)材,單絲的平均直徑可以控制在3~10μm范圍內(nèi)。Nanovia公司開發(fā)的新一代網(wǎng)材,即“Nanolies”的單絲直徑可達400nm,應該說分裂紡工藝是生產(chǎn)亞微米-納米纖維的重要方法之一。近年來,Nanovia公司開發(fā)了專門用于面部防護的過濾材料,其中抗菌系列面部防護過濾介質采用三組分復合結構配置,即紡粘層/抗菌分裂紡纖維網(wǎng)/紡粘層,屏蔽效率可達99.90%,介質的接觸角≥120°。據(jù)介紹,該產(chǎn)品符合歐洲EN14683標準。另一款抗病毒系列過濾材料的組成是紡粘和熔噴的混合組分層/抗菌分裂紡納米纖維網(wǎng)/紡粘層,病毒屏蔽效率達99.90%。Nanovia公司的抗菌亞微米-納米級纖維過濾材料也取得了美國Nelson實驗室的品質認證。在外科手術面罩的制作中,美國Ahlstrom(奧斯龍)公司大量選用克重為15或20g/m2.3納米聚合物纖維過濾介質用于面部防護的應用2.3.1外科手術面料過濾材料在人體防護裝置中的使用聚合物納米纖維具有獨特的孔隙結構和優(yōu)良的透過率,因而在高端過濾和分離領域得以廣泛使用,其單絲直徑通常在100~500nm之間。Elmark公司提供的抗菌納米纖維過濾介質,其生產(chǎn)線配置主要為3個工序,即聚合物納米纖維網(wǎng)成形單元、抗霉菌纖維單元和過濾介質性能最佳化處理裝置?？咕{米纖維介質通常由3層纖維構成,即:外部支撐層,多使用SMS或紡粘材料;中間為添加活性物的納米纖維層,該層具有生物功能;內(nèi)層則采用納米纖維網(wǎng)以屏蔽細微顆粒物。Elmarco公司過濾材料生產(chǎn)線可生產(chǎn)普通納米纖維,亦可生產(chǎn)抗霉菌納米纖維過濾材料。NS-1600生產(chǎn)設備為兩單元配置,幅寬1600mm,生產(chǎn)線運轉速度為3.2~4.2m/min,纖維網(wǎng)規(guī)格從0.3~0.4g/m韓國Bluefine公司提供的納米纖維濾料的面罩或呼吸器,據(jù)稱可有效屏蔽SARS病毒對人體的侵害。該過濾材料由5層纖維網(wǎng)復合而成,第1層組分使用PP紡粘非織造布,第2層為PET梳理型非織造布,第3組分選擇了納米纖維網(wǎng),第4層為活性炭纖維,第5層組分則使用PP紡粘非織造布。英國Redspeare公司是世界上最早大規(guī)模生產(chǎn)和使用納米纖維的廠家之一,在呼吸器或外科手術面罩過濾材料的應用研究中積累了豐富的經(jīng)驗,其面部防護裝置的性能評定結果顯示,對過敏原、細菌、真菌、病毒(如SARS、炭疽、H5N1、H1N1、H7N9流感病毒等)具有100%的捕集能力。該公司投放市場的呼吸器和外科手術面罩,采用多孔隙結構的過濾介質,由3層纖維材料構成,中間芯層為單絲平均直徑為100nm的纖維過濾介質,孔隙尺寸0.025μm,過濾效率可達到99.997%。24h佩戴,壓力降32Pa/cm近年來復旦大學大氣顆粒物污染防治實驗室在對PM2.5、PM10可吸入顆粒物的數(shù)量、濃度與居民健康風險關系的研究中認為,PM0.5可吸入顆粒物對人的危害其實更為嚴重。顆粒物直徑越小其對應的數(shù)量濃度和總表面積越大,亦越有可能攜附更多的有害物質進入人體。據(jù)調查,目前國內(nèi)很多地區(qū)空氣中的PM0.5顆粒物含量很高,污染空氣的可吸入顆粒物粒度分布中,直徑低于0.5μm的粒子大約占37%~40%,對人體健康存在著潛在的危害,因而對用于面部防護裝置的過濾材料提出了更高的要求。西班牙Leitat技術中心的研究人員開展了新型過濾材料的研究,旨在減輕在顆粒直徑小于0.5μm環(huán)境下工作人群可能面臨的健康威脅。該項研究選用納米級聚酰胺(PA)纖維作為屏蔽介質、克重為28g/m2.3.2熔噴法納米產(chǎn)品當前熔噴法工藝制備聚合物納米纖維技術已投入工業(yè)化生產(chǎn),其纖維網(wǎng)的單絲直徑可控制在500~1000nm之間。熔噴法生產(chǎn)聚合物納米纖維生產(chǎn)效率高,且成本更具競爭優(yōu)勢。H&V公司立足于熔噴法工藝,開發(fā)了新型熔噴非織造布產(chǎn)品“Nanoweb”,將該納米纖維網(wǎng)用于呼吸器,其阻力可比常規(guī)熔噴產(chǎn)品降低30%~50%,從而可改善呼吸器的氣流運行狀態(tài),提高使用的舒適度。目前H&V公司的熔噴面部防護用過濾材料已大量投放市場,克重范圍為5~400g/m此外,H&V公司還開發(fā)了“F-99E”呼吸器面罩,這是一款專門用于應對可能發(fā)生的甲型HIN1流感和禽流感疫情的產(chǎn)品,其過濾效率達到99.7%。該產(chǎn)品的過濾介質采用4層結構配置,即:第1層使用非織造布;第2層采用抗菌納米纖維網(wǎng),可屏蔽大部分病毒;第3層使用熔噴法納米纖維材料;第4層為特制的非織造布,用以強化制品的耐用性,確保呼吸器可連續(xù)使用30次以上。2.4結構型聚酯瓶片材料Foss公司利用Agion公司的抗菌技術,成功制得了“SpectraShield-9900”系列抗菌呼吸器,該產(chǎn)品據(jù)稱對蔓延于歐洲與北美地區(qū)的超級細菌(MRSA)疫情具有99.99%的殺菌效率。該公司開發(fā)的呼吸器和外科手術面罩過濾介質使用的纖維材料具有100%的安全性,選用回收再利用的聚酯瓶片作原料,因而具有鮮明的環(huán)境友好特點。過濾介質的抗菌纖維層選擇使用雙組分皮芯型短纖維,皮芯層重量比為30/70。通過特別的方法將銀/銅系列抗菌制劑壓入雙組分纖維的皮層,抗菌劑添加量為0.2%~6%,由于抗菌劑僅分布在纖維的皮層,因而可有效降低使用量,但同時又可確保過濾介質在重復使用過程中其抗菌效果不會降低。皮芯型雙組分抗菌纖維一般采用氣流成網(wǎng)方式成網(wǎng),然后與熔噴非織造布過濾層進行復合。近來,波蘭Loads技術大學開展了生物可降解過濾材料的研究,即將聚乳酸(PLA)纖維用作面部防護面罩的顆粒物屏蔽介質。過濾材料采用3層結構,外層主要用作屏蔽大量的氣溶膠粒子,選用PLA短纖維針刺非織造布;芯層使用駐極熔噴非織造布;內(nèi)層則為紡粘非織造布,以保持面罩形狀并保證耐用性。外層針刺非織造布使用的PLA短纖維的性能指標如表4所示,PLA紡絲成網(wǎng)的工藝特征如表5所示。在PLA熔噴纖維網(wǎng)的制備中,其原料選用了NatureWorks公司的6202型PLA樹脂,纖網(wǎng)克重為140g/m3潛在的市場個人面部防護裝置是現(xiàn)實的需要,具有巨大的潛在市場,從這點來說,我國個人防護裝備(PPE)行業(yè)同時面臨著無限的商機以及轉型升級的巨大壓力。3.1細防護裝置材料在抗病防治中的應用據(jù)統(tǒng)計目前人類可接觸到的病毒不下5000余種,且這一數(shù)據(jù)還在增長。依據(jù)WHO的統(tǒng)計,全球范圍內(nèi)每年約有20%的人群受到過敏性鼻炎的干擾,有70萬人死于流感。生活中不經(jīng)意的一個噴嚏,可產(chǎn)生4萬個直徑在0.5~12μm之間可能致病的液滴,而醫(yī)院中97%的感染源于醫(yī)用材料(主要是醫(yī)用紡織品)。而從我國來看,嚴重的空氣污染帶來的可吸入顆粒物正危及近6億國人的健康。京津冀局部地區(qū)的PM2.5的濃度一度超過了1000μg/m近幾年,防護面罩和呼吸器市場一直呈上升態(tài)勢,隨之而來的全球醫(yī)用非織造布市場的年增長率亦持續(xù)保持在40%以上。面部防護裝置已成為公共健康和周期性作業(yè)人員進行安全防護所采用的主要方法,因而過濾材料作為面部防護的核心技術必然會受到業(yè)界的特別重視。目前,開發(fā)高成本收益的加工工藝、提高已投放市場的防護面罩的過濾材料性能是最切實有效的做法,而纖維原材料的選擇也日益傾向于可再生資源。聚合物亞微米-納米纖維是過濾與分離領域最具市場潛力的新材料之一,而功能性聚合物納米纖維,特別是抗菌納米纖維已在高性能面部防護裝置過濾材料上使用,在應對大氣中的生物危害以及可能突發(fā)的流行病疫情方面具有實際價值。而普通消費市場上,消費者則更偏好具有可視性好、防濕防水、可重復使用、部件可置換、高過濾效率和低成本等特點的新一代面罩。3.2抗靜電微細纖維網(wǎng)現(xiàn)階段,我國的個人防護裝備行業(yè)尚未真正成型,基本沿用著傳統(tǒng)勞動保護行業(yè)的經(jīng)營理念,企業(yè)規(guī)模較小,產(chǎn)品技術含量較低,雖已有成百億片呼吸器或面罩的名義產(chǎn)能,但進口和貼牌產(chǎn)品仍占據(jù)著市場的不少份額,國產(chǎn)防護面罩行業(yè)在產(chǎn)品系列及發(fā)展理念上均面臨著很大的壓力。從全球個人防護裝備的技術發(fā)展現(xiàn)狀來看,防護面罩和呼吸器的品種系列化特征十分明顯。如3M公司開發(fā)的一次性呼吸器,其過濾介質采用抗靜電微細纖維網(wǎng),具有優(yōu)良的透氣性能;而可重復使用的呼吸器系列配置各種備件,使用簡單方便且舒適,具有多用途特點,特別適宜在工業(yè)粉塵和氣體污染環(huán)境下佩戴;第三系列是專門用于粉塵和氣態(tài)物過濾的呼吸器。除上述幾個系列外,該公司還可依據(jù)突發(fā)疫情提供特別的防護面罩,如3M8210N96型呼吸器,即市場上所稱的H1N1型流感專用防護面罩。在已經(jīng)上市的英國Respro防護面罩的4個產(chǎn)品系列中,Sportsta系列適用于運動領域的活動人群使用,可屏蔽亞微米級的可吸入顆粒物;Benditscaf系列適用于對公共環(huán)境中煙灰粉塵以及刺激性的香氣或惡臭氣體的防護;City面罩是專為城市作業(yè)人群設計的,主要應對汽車尾氣或灰塵;而Techo系列具有對亞微米顆粒