醫(yī)用防護(hù)口罩過濾層性能的對(duì)比研究

醫(yī)用防護(hù)口罩過濾層性能的對(duì)比研究

近年來，未經(jīng)處理的psv和高發(fā)病率唾液、gac、i1和iiv等感染疾病已成為呼吸道感染的一部分。呼吸道傳染病往往通過飛沫和空氣傳播,對(duì)公眾健康和社會(huì)穩(wěn)定帶來嚴(yán)重的威脅熔噴過濾層醫(yī)用防護(hù)口罩阻擋的對(duì)象是顆粒物,細(xì)菌、病毒等在空氣中并不是獨(dú)立存在的,它們需要依附在顆粒物上才能進(jìn)行宿主間的交叉?zhèn)魅?故醫(yī)用防護(hù)口罩可阻隔微生物傳染。醫(yī)用防護(hù)口罩過濾性能的優(yōu)劣主要取決于其芯層的濾材,由于芯層復(fù)雜的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)和纖維隨機(jī)三維分布,材料中含有大量微小孔空隙,微粒圍繞纖維經(jīng)過各種類型的彎曲通道或路徑,大大增加了浮懸于流體中的顆粒產(chǎn)生碰撞而將其滯留的概率1樣品制備過程和性能測(cè)試1.1為應(yīng)對(duì)口罩熔干過濾層的制備醫(yī)用防護(hù)口罩熔噴過濾層的制備流程如下:1.2樣品的性能測(cè)試1.2.1層的厚度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):GB/T24218.2—2009。測(cè)試儀器:YG141N型數(shù)字式織物厚度儀。1.2.2過濾層表面形狀測(cè)試采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡,對(duì)熔噴布表面形態(tài)進(jìn)行測(cè)試。1.2.3過濾層纖維直徑測(cè)試根據(jù)纖維直徑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T10685—2007,采用BEIONF6型纖維細(xì)度儀對(duì)熔噴纖維平均直徑進(jìn)行測(cè)試。1.2.4過濾層的通風(fēng)試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn):GB/T5453—1997。測(cè)試儀器:TEXTESTFX3300型透氣測(cè)試儀。1.2.5密度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):GB/T24218.2—2009。測(cè)試儀器:圓盤取樣機(jī)、FA2004A型電子天平。1.2.6過濾層的過濾效率測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):GB19083—2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》。測(cè)試儀器:TSI8130型過濾效率儀。1.2.7過濾層的開口強(qiáng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):FZ/T60005—1991。測(cè)試儀器:HD026NS型電子織物強(qiáng)力儀。1.2.8表面靜電勢(shì)測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):FZ/T01042—1996《紡織材料靜電性能靜電電壓半衰期的測(cè)定》。測(cè)試儀器:YG401型織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀。測(cè)試方法:采用YG401型織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀對(duì)非織造布的表面靜電勢(shì)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)3塊45mm×60mm的樣品進(jìn)行電暈駐極處理,駐極電壓為10kV,駐極時(shí)間為30s,測(cè)試探頭與試樣間的距離為15mm,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1500r/min。駐極完成后立即記錄60s內(nèi)的表面電壓值,每5s記錄1次數(shù)據(jù)。1.2.9過濾層的開口測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn):FZ/T316—2003。測(cè)試儀器:PMI型孔徑測(cè)試儀。2培養(yǎng)成布層數(shù)對(duì)紗線過濾效率的影響表1為國(guó)產(chǎn)紗布口罩與熔噴過濾層進(jìn)行5次測(cè)試的平均值。在流量為85L/min的條件下測(cè)試發(fā)現(xiàn),隨著紗布層數(shù)的增加,所表現(xiàn)出來的阻力從28.42Pa增加到49.98Pa。紗布層數(shù)增加,紗布中的微小孔徑由于纖維與纖維的疊加而變得細(xì)小;同時(shí)隨著紗布層數(shù)的增加,NaCl氣溶膠透過紗布的概率也逐漸變小。A、B、C分別代表10、20和30g/m對(duì)紗布口罩與熔噴過濾層材料進(jìn)行對(duì)比分析,在相同測(cè)試條件下,紗布層數(shù)越多,紗布口罩的呼吸阻力越大,到20層時(shí)其呼吸阻力接近熔噴過濾層材料,但這都在合理安全的范圍內(nèi),不影響人佩戴時(shí)的呼吸舒暢狀況。與呼吸阻力變化類似,隨著紗布層數(shù)的增加,紗布口罩的過濾效率逐漸增大,到20層時(shí)紗布口罩的過濾效率與單層的熔噴過濾層材料接近。唐世君等3國(guó)內(nèi)外醫(yī)療設(shè)備的熔噴過濾性能的比較3.1對(duì)拉伸性能和直徑的影響測(cè)試3種國(guó)內(nèi)常用的熔噴過濾層(1由表2可知,透氣率隨厚度的增加而減小,因?yàn)殡S著厚度的增加,超細(xì)纖維層與層疊加,孔徑縮小,導(dǎo)致透氣率下降。同種材料的纖維直徑差別不大,但相比2種未駐極的某國(guó)外口罩過濾層,其纖維直徑明顯比國(guó)產(chǎn)樣品要小,而且分布域更加集中;未駐極的某國(guó)外口罩過濾層的靜水壓明顯比國(guó)產(chǎn)樣品要大,而孔隙率相反要小。另外,不管縱向還是橫向,未駐極的某國(guó)外口罩過濾層的拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率都要比國(guó)產(chǎn)樣品大,隨著厚度的增加,拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率增加。在拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率方面,可能是國(guó)產(chǎn)樣品生產(chǎn)時(shí)加熱溫度過低,致使出模頭高溫熔體與外界進(jìn)行熱交換,快速降溫冷卻,熔體細(xì)流噴射成超細(xì)纖維時(shí)因熔融而相互黏結(jié)作用沒有那么明顯,故在拉伸時(shí)強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率相對(duì)較小。在纖維直徑方面,未駐極的某國(guó)外口罩過濾層的纖維直徑普遍較小,且范圍集中;而國(guó)產(chǎn)樣品的纖維直徑與其相比略粗,直徑分布相對(duì)分散。纖維細(xì),比表面積大,纖維與纖維間疊加黏合的概率增加,故未駐極的某國(guó)外口罩過濾層的靜水壓明顯比國(guó)產(chǎn)樣品大,而孔隙率要小。這說明過濾層的纖維直徑及分布是很重要的參數(shù)。因此必須提高所設(shè)計(jì)生產(chǎn)線產(chǎn)品的穩(wěn)定性,使吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)均勻,模頭整體加熱也要均勻且其中的噴絲組件加工精度要高,熔體細(xì)流經(jīng)模頭噴射時(shí)模頭的周邊環(huán)境(溫度、濕度、壓力)要求穩(wěn)定。國(guó)產(chǎn)的模頭相比于日本卡森公司和德國(guó)萊芬公司生產(chǎn)的模頭,加工精度有一定的差距。由表3可知,國(guó)產(chǎn)樣品平均孔徑隨著厚度的增加而逐漸減小,從17.4506μm下降到15.6159μm;國(guó)外樣品因面密度接近,平均孔徑值相差不大。從5種樣品的孔徑分布(圖1~圖5)來分析,樣品13.2經(jīng)過處理后，口罩過濾層的性能比較3.2.1駐極過濾層過濾效率的變化對(duì)兩類樣品進(jìn)行相應(yīng)的駐極處理,放置于密封袋中,得到一系列經(jīng)駐極處理后隨時(shí)間變化的過濾效率值(表4)和相應(yīng)的呼吸阻力值(圖6)。過濾層的過濾機(jī)理主要包括慣性沉積、截留沉積、擴(kuò)散沉積和靜電吸引沉積等。由表4可知,5種過濾層樣品中,經(jīng)過靜電駐極的樣品與未進(jìn)行靜電駐極的樣品相比,過濾效率有明顯的提高,從未駐極的20%~35%迅速上升到60%~88%,說明靜電吸引沉積對(duì)過濾效率有著重要的作用。由于時(shí)間有限,測(cè)試了駐極后放置480和960h的過濾效率,發(fā)現(xiàn)與剛駐極完相比過濾效率沒有大的變化,但隨著時(shí)間的延續(xù),總的過濾效率呈下降的趨勢(shì)。因?yàn)轳v極完后,過濾層表面儲(chǔ)存電荷,測(cè)試的樣品都放在密封袋中,過濾層與外界接觸的環(huán)境受限,故總的過濾效率衰減得不明顯;又因?yàn)橥幻孢^濾層中,電荷分布不勻且不都是同一類的,在過濾層存放、移動(dòng)、測(cè)試的過程中,有過濾層表面電荷發(fā)生中和或者聚集等情況,存放了一段時(shí)間后過濾效率變大也是正常現(xiàn)象。另外,盡管國(guó)產(chǎn)過濾層樣品通過同樣的駐極工藝,但過濾效率的提高沒有國(guó)外樣品大。這可從面密度角度來解釋,材料的面密度大,所形成的微孔較為致密,在同樣電荷密度下,微孔間的電場(chǎng)強(qiáng)度較大,從而駐極效果增強(qiáng);也可從纖維直徑的角度來解釋,國(guó)外樣品的纖維細(xì)且分布均勻,單位面積中的纖維根數(shù)多,堆疊后形成的空隙更多更小,從而形成更多捕獲電荷的陷阱,增強(qiáng)駐極效果圖6為阻力隨駐極時(shí)間的變化情況。由圖6可看出,隨著過濾層面密度的增加,阻力相應(yīng)增大。過濾層面密度增加,孔徑變小,厚度增加,導(dǎo)致阻力增大。同時(shí)也可看出,剛駐極完的過濾層對(duì)氣溶膠的阻力,與未駐極的相比有變大也有變小,但隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng),阻力均上升。剛進(jìn)行靜電駐極時(shí),過濾層表面和近表面積聚了大量的電荷,面密度不均勻,電荷密度較大的地方,同種電荷排斥作用強(qiáng)烈,可能導(dǎo)致纖維之間的移動(dòng),表面形成較大的開放型孔洞結(jié)構(gòu),導(dǎo)致過濾層對(duì)氣溶膠的阻力相應(yīng)減小;而剛駐極完的過濾層上排列著電荷,當(dāng)電荷對(duì)氣溶膠的排斥作用大于電荷自身的排斥所形成的開放型結(jié)構(gòu),導(dǎo)致過濾層對(duì)氣溶膠的阻力總體上升。在放置過程中,過濾層表面結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化,過濾層上分布著正負(fù)兩種電荷,不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)在過濾層中的電荷相互中和,導(dǎo)致電荷的排斥作用下降,纖維之間的移動(dòng)下降,表面開放型結(jié)構(gòu)變?nèi)?。同時(shí)通過若干次過濾效率測(cè)試,氣溶膠有部分沉積在過濾層表面,綜合結(jié)果導(dǎo)致過濾層對(duì)氣溶膠的阻力上升。3.2.2空間電荷通過電暈駐極處理,聚丙烯濾料層中含有兩種電荷:一種是空間電荷;另一種是極化電荷由圖7可看到國(guó)產(chǎn)樣品相比于國(guó)外樣品,通過靜電駐極后電勢(shì)較小,這是由于過濾層面密度的影響。對(duì)于13.2.3過濾層靜電勢(shì)的變化未駐極過濾層的過濾效率為20%~35%,經(jīng)駐極后升到60%~88%,說明靜電駐極對(duì)過濾效率具有很大的影響。靜電駐極的原理是讓過濾層在高壓作用下帶上電荷,形成一定的靜電勢(shì)。過濾層所帶電荷量越多,所形成的靜電勢(shì)能越大,其所具有的過濾效率必定高。而過濾層所能負(fù)載的電荷量與其表面狀況、面密度、表面纖維直徑等有關(guān)。另外在駐極后960h,過濾效率有下降趨勢(shì),但數(shù)值上與剛駐極的過濾效率變化不大;而在駐極后0~5h這段時(shí)間內(nèi),過濾層靜電勢(shì)的下降幅度較為明顯,然后是緩慢下降。這是因?yàn)閯傫v極完,過濾層上分布的電荷是不勻的,同時(shí)同一面上有可能分布不同的電荷,對(duì)剛駐極的過濾層,電荷間的中和以及電荷的消失會(huì)使過濾層靜電勢(shì)大幅度下降,但對(duì)總的正負(fù)電荷量來講變化是很小的,故過濾效率下降幅度不是很明顯。4過濾層過濾效率本文對(duì)國(guó)產(chǎn)熔噴過濾層材料與國(guó)外樣品進(jìn)行了綜合性能測(cè)試分析,包括過濾層的厚度、表面形態(tài)、纖維直徑、面密度、透氣性、過濾效率、拉伸強(qiáng)度、靜電勢(shì)、孔隙率和孔徑等指標(biāo),得出過濾層的面密度、纖維直徑和分布是影響過濾效率的重要因素。靜電駐極工藝對(duì)過濾層的過濾效率有著重要的作用,駐極后過濾層的過濾效率明顯提高,在數(shù)百小時(shí)內(nèi)過濾效率沒有大的變化,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),總的過濾效率呈下降的趨勢(shì)。過濾層阻力隨著時(shí)間的變化不大。過濾層的表面靜電勢(shì)在駐極后0~10h下降