口罩熔噴布微觀結構對過濾效率的影響

鄭 杰，林 楊

廣東省醫療器械質量監督檢驗所，廣東 廣州 510663

口罩的過濾層一般分為三層非織造布，即SMS 三層結構，從內到外分別為紡粘層、熔噴層、紡粘層，中間層熔噴非紡織布，是利用高速熱空氣對模頭噴絲孔擠出的聚合物熔體細流進行拉伸，形成超細纖維并凝聚在凝網簾或滾筒上，并依靠自身黏合而形成的[1]。以聚丙烯為原料熔噴后生成獨特的超細纖維（約1 ～10μm），纖維在空間靠自身黏合和纏結形成的三維曲徑結構與傳統織物和梳理成網非織造物中的纖維分布截然不同，它具有更大的比表面積，更高的孔隙率，微孔結構曲折，對固體顆粒具有較強的吸附作用；加上聚丙烯無毒、質地輕、柔韌性好、耐腐蝕、價格低廉等，十分適合制作過濾材料[2]，可作為核心部件，起最主要的過濾防護作用。文章研究了熔噴布在微觀結構下的纖維分布對過濾效率的影響，并且通過使用掃描電鏡即可快速甄別出合格的熔噴層濾材。

1 試驗準備

1.1 儀器

TSI 8130 自動濾材測試儀（美國TSI 公司）；BFE-0801細菌過濾效率試驗裝置（青島思普瑞環?？萍加邢薰荆?；Hfsafe-1200Cla II Type A2 生物安全柜（上海力申科學儀器有限公司）；LRH-250A 生化培養箱(韶關鑫騰科普儀器有限公司)； GL-02KA 高低溫交換濕熱試驗箱（廣州愛斯佩克有限公司）。

1.2 試劑

胰酪大豆胨瓊脂培養基（Tryptose Soya Agar，TSA）（廣東環凱微生物科技有限公司）；無菌生理鹽水（廣東環凱微生物科技有限公司）；蛋白胨水溶液（廣東環凱微生物科技有限公司）；金黃色葡萄球菌ATCC 6538（廣東微生物研究所微生物菌種保藏中心）。

1.3 樣品及樣品預處理

取30 個不同廠家口罩，不同廠家各取同一批次樣品、3 個放置于溫度為（21±5）℃、相對濕度為（85±5）%的高低溫交換濕熱試驗箱中4h，并各取1 個置于溫度為（38±2.5）℃、相對濕度為（85±5）%的高低溫交換濕熱試驗箱中25h。

2 試驗方法

2.1 BFE 細菌過濾效率

試驗用細菌懸液制備：取金黃色葡萄球菌ATCC 6538 定量菌種用新鮮的蛋白胨水溶液稀釋至約5×105CFU/mL 濃度。

樣品數量：用于溫度為（21±5）℃、相對濕度為（85±5）%的高低溫交換濕熱試驗箱的3 個樣品進行試驗。

試驗步驟如下：

（1）在一側采樣器不放樣品，將氣體流速控制在28.3L/min，向噴霧器輸送細菌懸液的時間設定為1min，空氣壓力和采樣器運行時間設定為2min，將細菌氣溶膠收集到TSA 瓊脂上，作為陽性質控。

（2）在另一側采樣器放置樣品，同時按同條件進行試驗。

（3）一批試樣測試完成后，再測試一次陽性質控，然后收集2min 氣溶膠室中的空氣樣品，作為陰性質控，在此過程中不向噴霧器中輸送細菌懸液。

（4）試驗結束后，取出瓊脂平板在（37±2）℃培養（48±4）h，然后對菌落形成單位進行計數并轉換為可能的撞擊顆粒數。

（5）按式（1）計算試驗結果。

式中：c為陽性質控平均值；T為試驗樣品計數之和。

結果評價：口罩的細菌過濾效率應不小于95%[3]。

2.2 PFE 顆粒過濾效率

（1）標準[4]要求的氯化鈉氣溶膠相對濕度為（30±10）%，溫度為（25±5）℃，顆粒中位直徑為（0.075±0.020）μm，顆粒分布的幾何標準偏差≤1.86，濃度≤200mg/m3,為TSI自動濾材試驗機固有參數，設備內部控制。

（2）設置TSI 自動濾材試驗機的空氣流量為（30±2）L/min對于（38±2.5）℃、相對濕度為（85±5）%的高低溫交換濕熱試驗箱中放置25h 的口罩進行測試并記錄結果。

2.3 纖維直徑分布與孔徑

以不同廠家口罩熔噴層依次進行電鏡掃描，在不同倍數下對熔噴層的結構進行觀察并測量。

3 試驗結果

三個樣品的檢測結果顯示：纖維分布直徑為1 ～6μm的孔徑較小的口罩熔噴布，在電鏡下觀察，分別放大1100倍與650 倍，每組纖維形態較好，結構蓬松（見圖1（a）、圖1（b））；纖維分布直徑為2 ～15μm 的孔徑較小的口罩熔噴布，在電鏡下觀察纖維形態不佳、交叉且扭結嚴重，混雜粗纖維較多，PFE 過濾效率不如直徑為1 ～6μm 的孔徑較小的口罩熔噴布（見圖1（c）、圖1（d））。維的空隙，而被纖維直接捕獲。

圖1 非油性顆粒的熔噴層電鏡掃描典型圖

（5）靜電效應：纖維經過駐極處理，帶有靜電，微粒在運動中被吸附在纖維表面，粒徑越小、質量越輕，更易被吸附[5]。

4 結論

熔噴濾材的微觀結構下，纖維直徑分布越小，孔徑分布越均勻；平均孔徑越小，過濾效率就越高。即熔噴層的微觀結構中，纖維呈細長形式，分布均勻且密集，孔徑小的熔噴濾材，過濾效率高。故企業在日常挑選濾材時可以用

當過濾效率符合標準要求時，纖維直徑分布較小，呈細長狀，纖維間孔徑分布均勻，平均口徑??；當過濾效率不符合標準要求時，纖維直徑分布較大，混雜粗纖維，分布交織雜亂，導致平均孔徑大。

口罩的過濾機理主要有以下幾種。

（1）重力沉降效應：由微粒自身的重力偏離氣流方向，引起直接沉降，而被濾材捕獲，質量越大，機會越大。

（2）慣性撞擊效應：跟隨氣流的不同質量的微粒，由于不同質量導致的不同慣性，導致其偏離了氣流方向，與纖維碰撞而被捕獲，對質量越大、速度越大的微粒作用力更大。

（3）布朗運動：指微粒受到空氣分子的撞擊，不斷做無規則的運動，而隨機碰撞纖維而被吸附在纖維表面上。

（4）直接捕獲：由于大微粒的尺寸原因，無法穿透纖電鏡法快速甄別合格的原材料，減少劣質產品的產生。