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國內(nèi)可重復使用口罩研發(fā)現(xiàn)狀
口罩是指放在口腔的上,過濾有害氣體、灰塵、飛沫、細菌和其他材料,以防止有害氣體、灰塵和其他材料進入口腔和鼻部的防護裝置??谡衷诤粑啦《拘詡魅静×餍袝r期是重要的個人防護用品之一,可有效阻斷顆粒物、細菌和病毒的傳播途徑,保護易感人群免受感染,在感染預防和傳染病控制中起到了舉足輕重的作用疫情初期上海政府部門牽頭產(chǎn)業(yè)鏈,推出國內(nèi)首款可重復使用的N95防護口罩1可重復使用口罩總結1.1可重復使用口罩的范圍國內(nèi)口罩主要分為民用口罩、醫(yī)用口罩和工業(yè)防護口罩3類1.2發(fā)生消毒處理口罩在佩戴過程會阻隔灰塵、飛沫,吸附大氣細菌、病毒、顆粒物等污染物,也會被佩戴者汗液、口腔分泌物、食物殘渣、油脂等污染,甚至會產(chǎn)生異味,威脅佩戴者身體健康。因此,口罩重復使用須定期對口罩進行洗滌,徹底去除口罩上吸附的污染物。此外流感多發(fā)期或肺炎疫情期還要對可重復使用口罩定期進行消毒處理以避免細菌和病毒感染。因此,可重復使用口罩進行復用需定期對口罩進行消毒清洗以保證口罩自身清潔衛(wèi)生。可重復使用口罩復用時,合理有效的洗消方式極為重要。《可重復使用民用口罩》團隊標準規(guī)定制造商提供的消毒和清洗方法宜合二為一,如不能合二為一,應先消毒再清洗,宜選用不破壞口罩過濾層荷電及結構的消毒和清洗方法,以及能使口罩過濾層荷電再生的宜家干燥方法,并明確規(guī)定洗消次數(shù)(不少于3次)和佩戴時間(不低于24h)。《可水洗重復使用織物口罩》團體標準規(guī)定了更嚴格的重復使用次數(shù)(50次),并進一步明確洗消方式(洗衣機機洗、醫(yī)用酒精消毒)。根據(jù)我國新型冠狀病毒肺炎診療方案1.3過濾效率分析以一次性醫(yī)用口罩為代表的拋棄式口罩雖具有高防護效果,但通常采用駐極熔噴布作為核心濾材,消毒清洗后熔噴布攜帶的荷電會大幅衰減甚至完全耗散,口罩過濾效率大幅降低。中國香港科技大學團隊可重復使用口罩核心特點是其可耐受常規(guī)洗消操作,防護性能不隨佩戴時間和洗消次數(shù)增加而顯著降低,因而復用后也可為佩戴者提供高的防護效果,如圖1所示。1.4駐極聚丙烯熔噴布現(xiàn)代口罩通常由3層以上濾材組成,每層具備不同效果。醫(yī)用外科口罩一般由3層組成,外層多采用疏水紡黏非織造布,防止飛沫飛濺;中間層多采用駐極聚丙烯熔噴布,承擔主要過濾作用;內(nèi)層多采用親水非織造布,可吸收佩戴者呼出的水汽??芍貜褪褂每谡纸Y構通常與醫(yī)用外科口罩保持一致,也采用3層設計,如圖2所示。兩者主要區(qū)別是可重復使用口罩使用耐洗消濾材代替熔噴布作為中間層,此外考慮到易清洗、親膚、觸感及美觀等因素,內(nèi)外層多采用棉質濾材,并且很多可重復使用口罩還對外層和中間層濾材進行抗菌、抗病毒處理,以抑制細菌和病毒在口罩上的滋生。1.5口罩性能要求單個病毒尺寸很小,但其在空氣中傳播以飛沫(>5.00μm)或氣溶膠(1.00~5.00μm)為載體。醫(yī)用外科口罩要求對3.00μm細菌氣溶膠過濾效率≥95%,KN90和KN95口罩對0.26μmNaCl顆粒的過濾效率分別大于90%和95%。因此,佩戴這些口罩均可有效阻斷COVID-19病毒傳染途徑,一方面可保護自己免受病毒飛沫和氣溶膠感染,同時還能保護他人免受自己呼出的病毒感染。表1中《可重復使用民用口罩》團體標準和《可水洗重復使用織物口罩》團體標準對口罩洗前和洗后過濾效率和過濾阻力做出明確規(guī)定,《可重復使用民用口罩》團體標準對口罩性能要求基本與KN90口罩一致,《可水洗重復使用織物口罩》要求過濾效率和呼吸阻力性能介于醫(yī)用外科口罩和KN90口罩之間,初級口罩PFE要大于70%,此外還對口罩抑菌率提出新要求。兩份團體標準對可重復使用口罩洗前和洗后防護效果要求均明顯高于醫(yī)用外科口罩,符合上述兩個團體標準可重復使用口罩不僅可高效攔截空氣中污染物顆粒和飛沫,對細菌和病毒氣溶膠也具有良好的防護效果。但目前市面上很多可重復使用口罩雖標注為可重復使用,但僅新口罩執(zhí)行醫(yī)用外科口罩或KN95口罩等標準,口罩多次復用后性能沒有相應執(zhí)行標準。如《可重復使用民用口罩》團體標準和《可水洗重復使用織物口罩》團體標準所規(guī)定,合格可重復使用口罩不僅初始性能,更重要的是按規(guī)定洗消方式復用規(guī)定次數(shù)后,其性能依舊符合上述團體標準或醫(yī)用外科口罩和KN95口罩等主流口罩標準要求。1.6洗消裝置上的風險雖然目前沒有相關先例和評估,但值得警惕的是可重復使用口罩是否有成為新的病毒污染源的可能性,口罩在洗消過程是否存在細菌和病毒轉移到洗消裝置上并最終感染用戶等風險未知。因此,可重復口罩僅建議日常生活中用于阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物使用;或大規(guī)模區(qū)域性肺炎、流感等疫情,以及其他防控應急情況下口罩供應急劇短缺狀況下在低風險地區(qū)和場所作為應急使用,不推薦密切接觸者、醫(yī)護人員和防疫人員使用。疫情期間在中高風險地區(qū)或區(qū)域,居民應嚴格佩戴醫(yī)用外科口罩或KN95口罩等拋棄式口罩,且不建議重復使用。2口罩重復使用的條件可重復使用口罩的核心濾材能否經(jīng)受多次洗滌和消毒操作并繼續(xù)保持高的過濾效率和低的過濾阻力是口罩能否重復使用的關鍵所在。復用規(guī)定次數(shù)后防護效果和呼吸阻力等核心性能滿足相關口罩標準且具有良好抗菌、抗病毒性能的口罩是目前可重復使用口罩的重點研發(fā)方向。不同濾材實物圖和SEM圖片(200倍)如圖3所示。2.1口罩荷電再生重復使用駐極熔噴布(圖3a)是目前常用的重要口罩濾材之一,廣泛用于各種防護等級醫(yī)用和民用口罩中??谡秩蹏姴级酁榫郾┎馁|,具有良好耐溫、耐溶劑性能和良好的機械強度,但熔噴布纖維攜帶荷電遇水或乙醇等溶劑或高溫處理后會減少或完全消除,導致熔噴布過濾效率大幅下降,因此無法長期或重復使用。為應對駐極熔噴布不耐水洗問題,疫情初期,北京化工大學陳建峰院士團隊開發(fā)口罩荷電再生重復使用技術,采用便攜式靜電發(fā)生器(如家用電器)對普通一次性醫(yī)用口罩進行二次荷電處理,使其再生靜電效應而達到可重復使用,經(jīng)測試,口罩經(jīng)10次荷電再生循環(huán)后,其過濾效率仍與新口罩相當。北京化工大學張立群團隊也研發(fā)出一種高荷載電荷-高抗靜電衰減、抑菌、抗老化三合一熔噴布,該材料口罩在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。該熔噴布已實現(xiàn)產(chǎn)銷數(shù)千噸,為可重復使用民用口罩提供重要材料支撐。2.2材料及濾材用量傳統(tǒng)熔噴布并不適合作為可重復使用口罩的核心濾材,選用耐洗消且高效低阻的新濾材是開發(fā)可重復使用口罩的關鍵。如圖3a—圖3d所示,目前市面上的可重復使用口罩通常選用ePTFE納米薄膜、納米纖維膜、核孔膜等濾材。其中ePTFE納米薄膜濾材成本相對低、產(chǎn)能充足、過濾性能好,在可重復使用口罩中使用廣泛。這些濾材主要依靠物理過濾效應,無需荷電也能實現(xiàn)高的過濾效率,因此經(jīng)過常規(guī)洗消操作后仍可能保持高的過濾效率,適用于制作可重復使用的口罩。2.2.1膨體聚乙烯薄膜ePTFE納米薄膜是以聚四氟乙烯為原料,經(jīng)過預混、壓制初坯、推擠、壓延、脫油和單向或雙向拉伸等工藝生產(chǎn)的具有結點-細纖網(wǎng)狀結構的膨體聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜2.2.2納米纖維膜納米纖維膜是由聚合物溶液或熔體在靜電場力(靜電紡絲2.2.3復合濾材過濾性能核孔膜是利用高能重離子轟擊聚合物薄膜后再通過化學刻蝕擴孔得到新型濾膜核孔膜選用高強度聚合物薄膜作為基膜,其具備較高強度,可在洗消過程中保持結構穩(wěn)定性。ePTFE薄膜和納米纖維膜以納米級纖維為主體,其機械強度相比熔噴布和核孔膜要低很多,實際使用時需與高強度基材進行復合,以避免洗消過程發(fā)生破損。目前市面上ePTFE薄膜和納米纖維膜多采用單面復合或雙面復合方式,通過測試發(fā)現(xiàn)雙面復合濾材耐洗消性能遠高于單面復合濾材,雙面復合且復合較緊密的濾材在洗消過程中依舊能保持濾材纖網(wǎng)結構的完整性,多次洗后過濾效率僅輕微下降。通過選用不同規(guī)格ePTFE濾材,分別制作出洗前和手洗30次后均符合《醫(yī)用外科口罩》和《呼吸防護自吸過濾式防顆粒物呼吸器》(KN95)標準的可重復使用口罩。2.3可重復使用口罩的抗菌性能可重復使用口罩不僅應耐洗消,還應具有良好的抗菌、抗病毒性能??伤粗貜褪褂每椢锟谡謭F體標準對口罩洗前和洗后抑菌率做出明確規(guī)定。疫情期間多家研究機構和企業(yè)將具有抗菌、抗病毒功能的面料或濾材用于口罩外層或中間層,開發(fā)出具有良好抗菌、抗病毒性能的功能口罩,通過抑制細菌和病毒在口罩上滋生或實現(xiàn)自清潔功能,降低洗消頻次,進而延長使用時間。2020年6月中國紡織工程學會批準《紡織品抗病毒、抗菌整理劑及其功能評價》團體標準立項,隨后8月《抗病毒功能紡織品》團體標準也由中國保健協(xié)會審批立項,為可重復使用口罩的抗菌、抗病毒測試提供有力依據(jù)。目前市面上抗菌、抗病毒濾材主要分為3類:第1類是直接選用天然抗菌(如甲殼素纖維、麻纖維、竹纖維)或改性抗菌(如殼聚糖、優(yōu)可絲EcoCosy)纖維制作濾材,如青島大學的海藻纖維口罩,抑菌率達95%以上;第2類是在紡絲過程中將具有抗菌、抗病毒的無機抗菌材料(銀、銅、鋅納米顆粒、石墨烯等)引入傳統(tǒng)濾材中,如中國香港向全港市民免費派發(fā)可重復使用的銅芯抗疫口罩(如圖4所示),可重復使用60次,中國航天航材院開發(fā)的可重復使用石墨烯口罩,可連續(xù)佩戴48h;第3類是使用天然(如黃芩、姜黃、蘆薈等)或合成(如季銨鹽類化合物、聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽)的有機系抗菌劑對傳統(tǒng)濾材、面料進行表面改性、后整理,使之具有抗菌或抗病毒功能,如廣東溢達紡織有限公司通過對口罩外層面料進行抗菌后整理,開發(fā)出高效抗菌可水洗棉布口罩,水洗30次后抗菌率仍高于90%。單靠抗菌、抗病毒口罩的自清潔功能而不進行洗消難以一直保持口罩的清潔衛(wèi)生,但是口罩抗菌抗病毒是對耐洗消的良好補充,抗菌、抗病毒功能配合適宜的洗消方式,既可降低口罩洗消頻次,又可提供多一重防護。3可重復使用口罩的用途和使用成本隨著疫情形式的好轉,醫(yī)用外科口罩等拋棄式口罩的供應已經(jīng)充足,市場對
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