生物防護服中非織造布複合材料的過濾效率評估 在醫療、工業及應急救援等領域，生物防護服作為防止有害微生物、化學物質或顆粒物侵入人體的重要屏障，其性能直接影響使用者的安全。其中，非織造布複合材...
生物防護服中非織造布複合材料的過濾效率評估
在醫療、工業及應急救援等領域，生物防護服作為防止有害微生物、化學物質或顆粒物侵入人體的重要屏障，其性能直接影響使用者的安全。其中，非織造布複合材料因其優異的物理機械性能、透氣性以及良好的過濾效率，廣泛應用於各類防護服裝。這類材料通常由多層不同功能的非織造布通過熱壓、粘合或熔噴等工藝複合而成，以增強其阻隔能力並提高舒適度。因此，對生物防護服中非織造布複合材料的過濾效率進行科學評估，不僅有助於優化材料設計，還能確保防護裝備符合相關行業標準。
過濾效率是衡量防護服材料阻擋微粒能力的關鍵指標，主要涉及對氣溶膠粒子（如細菌、病毒、粉塵等）的攔截效果。目前，國際上普遍采用 ASTM F2299、EN 14683 等標準測試醫用防護材料的過濾效率，而我國則依據 GB/T 32610-2016 和 YY/T 0969-2013 等規範進行檢測。這些方法主要通過粒子計數法測定材料對特定粒徑範圍內顆粒的過濾率，並結合壓力降、透氣性等參數綜合評價材料的適用性。此外，近年來的研究還關注於新型納米纖維複合膜、駐極體材料等技術的應用，以提升非織造布複合材料的過濾性能，同時兼顧穿戴舒適性。
為了全麵評估生物防護服中非織造布複合材料的過濾效率，本研究將結合國內外新研究成果，分析不同結構、成分和加工工藝對材料過濾性能的影響，並探討現行標準與測試方法的適用性。同時，本文還將提供典型產品的性能參數對比表，以幫助讀者更直觀地理解各類非織造布複合材料的優劣及其應用場景。
非織造布複合材料的組成與結構特點
非織造布複合材料是由多種非織造布基材通過物理或化學方式結合而成的多功能材料，具有優異的力學性能、透氣性和過濾效率。常見的非織造布基材包括紡粘（Spunbond, SB）、熔噴（Meltblown, MB）、熱軋（Thermal Bonded）、濕法成網（Wetlaid）等類型，其中紡粘布提供較高的強度和耐用性，而熔噴布因纖維直徑細小且孔隙率適中，具備較強的微粒攔截能力。複合工藝方麵，常用的有熱壓複合、膠粘複合、超聲波焊接等，其中熱壓複合能夠有效增強材料的整體結構穩定性，而膠粘複合則適用於不同材質之間的結合，以改善整體性能。
從結構上看，典型的生物防護服用非織造布複合材料通常為多層結構，例如 SMS（Spunbond-Meltblown-Spunbond）、SMMS（Spunbond-Meltblown-Meltblown-Spunbond）或 SMMMS（Spunbond-Meltblown-Meltblown-Meltblown-Spunbond）組合。其中，外層紡粘布提供機械支撐和耐磨性，中間熔噴層負責高效過濾，而內層紡粘布則保證穿著舒適性。這種多層結構不僅能提高過濾效率，還能維持較低的呼吸阻力，使防護服兼具防護性與舒適性。此外，部分高端產品還會引入納米纖維層或駐極體材料，以進一步提升過濾性能。
表 1 展示了常見非織造布複合材料的基本組成、結構特征及其主要應用領域，以幫助讀者更直觀地了解不同材料的特性與適用場景。
| 材料類型 | 基材組成 | 結構形式 | 特點 | 應用領域 |
|---|---|---|---|---|
| SMS | 紡粘 + 熔噴 + 紡粘 | 三層 | 良好的過濾效率和機械強度 | 醫療防護服、口罩 |
| SMMS | 紡粘 + 雙層熔噴 + 紡粘 | 四層 | 過濾效率更高，適用於較嚴格防護需求 | 醫用手術衣、隔離服 |
| SMMMS | 紡粘 + 三層熔噴 + 紆粘 | 五層 | 極高過濾效率，適合高風險環境 | 實驗室防護、生化防護服 |
| 納米纖維複合布 | 紡粘/熔噴 + 納米纖維塗層 | 多層複合 | 極細纖維，增強微粒捕集能力 | 高效防護口罩、空氣淨化 |
| 駐極體複合布 | 紡粘/熔噴 + 駐極處理 | 單層或多層 | 利用電荷吸附效應提高過濾效率 | N95口罩、高性能防護服 |
影響非織造布複合材料過濾效率的關鍵因素
非織造布複合材料的過濾效率受多種因素影響，主要包括纖維直徑、孔隙率、材料厚度、靜電效應以及流速條件等。這些參數直接決定了材料對氣溶膠顆粒的攔截能力，從而影響其在生物防護服中的實際應用效果。
首先，纖維直徑是影響過濾效率的核心因素之一。較小的纖維直徑意味著更大的比表麵積，從而增強了對微粒的吸附和攔截能力。研究表明，熔噴非織造布的平均纖維直徑通常在 1~5 µm 之間，而納米纖維複合材料的纖維直徑可降至 100 nm 以下，顯著提升了過濾性能（Liu et al., 2017）。然而，過細的纖維可能會增加空氣流動阻力，降低透氣性，因此需要在過濾效率與透氣性之間取得平衡。
其次，孔隙率也是決定過濾效率的重要參數。較高的孔隙率可以降低空氣阻力，提高透氣性，但同時也可能降低對微粒的攔截能力。一般而言，熔噴布的孔隙率在 70%~85% 之間，而紡粘布的孔隙率較高，通常超過 85%，這使得前者更適合用於高效過濾層（Zhang et al., 2019）。
材料厚度同樣會影響過濾性能。較厚的材料通常具有更多的過濾層，能夠增強對微粒的多重攔截作用。然而，過厚的材料會增加穿戴者的負擔，影響舒適性。因此，在設計生物防護服時，需要權衡材料厚度與整體防護性能之間的關係。
此外，靜電效應在現代高效過濾材料中起著關鍵作用。駐極體材料通過電荷積累增強對微粒的吸附能力，使其在低纖維密度下仍能保持較高的過濾效率。例如，N95 口罩所采用的熔噴布通常經過駐極處理，以提高其對 0.3 µm 粒子的過濾效率（Chen et al., 2020）。
後，流速條件也會影響過濾效率。在較高氣流速度下，微粒的慣性增強，更容易被材料表麵攔截，但同時也會增加穿透率。因此，在測試過濾效率時，需根據實際使用條件選擇合適的流速標準，如 ASTM F2299 測試方法推薦的流速範圍為 32 L/min 至 85 L/min（ASTM International, 2021）。
綜上所述，纖維直徑、孔隙率、材料厚度、靜電效應及流速條件均對非織造布複合材料的過濾效率產生重要影響。在優化生物防護服材料時，應綜合考慮這些因素，以實現高效過濾與良好透氣性的平衡。
非織造布複合材料過濾效率的測試方法與標準
為了準確評估非織造布複合材料的過濾效率，國內外製定了多項測試標準，涵蓋了醫用防護材料、工業防護用品以及民用口罩等多個領域。目前，主要的測試方法包括粒子計數法、質量損失法、光學透過率法等，其中粒子計數法為常用，因其能夠精確測量不同粒徑範圍內顆粒的過濾效率。
在國際標準方麵，美國材料與試驗協會（ASTM）發布的 ASTM F2299/F2299M-03(2017) 是評估醫用口罩及防護服材料過濾效率的重要標準，該標準規定了使用單分散乳膠球（PSL）粒子進行測試的方法，並要求測試流速控製在 32 L/min 或 85 L/min，以模擬正常呼吸條件下的空氣流動情況。此外，歐洲標準 EN 14683:2014 專門針對醫用麵罩材料的細菌過濾效率（BFE）進行了規範，測試過程中使用金黃色葡萄球菌懸浮液霧化後通過樣品，計算細菌過濾率。
在我國，國家標準 GB/T 32610-2016《日常防護型口罩技術規範》 規定了民用口罩的過濾效率測試方法，采用氯化鈉（NaCl）氣溶膠和油性顆粒物（如 DOP）進行測試，分別評估材料對鹽性顆粒和油性顆粒的過濾性能。對於醫用口罩，則依據 YY/T 0969-2013《一次性使用醫用口罩》 和 YY 0469-2011《醫用外科口罩》 進行 BFE 測試，其中後者要求細菌過濾效率不低於 95%。此外，中國國家標準化管理委員會發布的 GB 2626-2019《呼吸防護 自吸過濾式防塵口罩》 對 KN 類口罩（相當於 N95）提出了更高的過濾效率要求，即對非油性顆粒物的過濾效率不得低於 95%。
除了上述標準，近年來一些新興測試方法也被廣泛研究，例如基於激光散射原理的實時粒子計數法、利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維結構對過濾性能的影響，以及計算機模擬氣流分布和粒子沉積行為等。這些方法有助於更深入地理解非織造布複合材料的過濾機製，並為材料優化提供理論支持。
表 2 總結了國內外主要的非織造布複合材料過濾效率測試標準及其適用範圍，以供參考。
| 標準編號 | 測試方法 | 適用對象 | 主要參數 | 過濾效率要求 |
|---|---|---|---|---|
| ASTM F2299/F2299M-03(2017) | 粒子計數法 | 醫用口罩、防護服 | PSL 粒子，粒徑 0.1~5 µm，流量 32~85 L/min | ≥95%（N95 級別） |
| EN 14683:2014 | 細菌過濾效率（BFE） | 醫用口罩 | 金黃色葡萄球菌懸浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| GB/T 32610-2016 | 鹽性顆粒過濾效率 | 民用口罩 | NaCl 氣溶膠，粒徑 0.075~2 µm，流量 85 L/min | ≥90%（A 類） |
| YY/T 0969-2013 | 細菌過濾效率（BFE） | 一次性醫用口罩 | 金黃色葡萄球菌懸浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| YY 0469-2011 | 細菌過濾效率（BFE） | 醫用外科口罩 | 金黃色葡萄球菌懸浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| GB 2626-2019 | 鹽性顆粒過濾效率 | 防塵口罩（KN 類） | NaCl 氣溶膠，粒徑 0.075~2 µm，流量 85 L/min | ≥95%（KN95） |
典型非織造布複合材料產品的過濾效率數據對比
為了更直觀地展示不同類型的非織造布複合材料在過濾效率方麵的表現，午夜视频一区整理了幾種常見材料的技術參數，並列出了它們的過濾效率、透氣性、厚度及適用場景等信息。這些數據來源於各大廠商的產品說明書以及相關學術研究，涵蓋醫用防護服、工業防護用品及民用口罩等領域的典型應用。
表 3：典型非織造布複合材料的過濾效率與性能對比
| 材料類型 | 過濾效率（≥0.3 µm） | 透氣性（mm/s） | 厚度（mm） | 適用場景 | 數據來源 |
|---|---|---|---|---|---|
| SMS（S/M/S） | 85%~90% | 150~200 | 0.2~0.3 | 醫療防護服、普通口罩 | 杜邦公司技術手冊（DuPont, 2020） |
| SMMS（S/M/M/S） | 90%~95% | 120~150 | 0.3~0.4 | 醫用手術衣、隔離服 | 金發科技產品規格書（Kingfa, 2021） |
| SMMMS（S/M/M/M/S） | ≥95% | 100~130 | 0.4~0.5 | 高風險實驗室、生化防護 | 蘇州錦綸新材料（Jinlun, 2022） |
| 納米纖維複合布 | ≥99% | 80~100 | 0.1~0.2 | 高效口罩、空氣淨化設備 | Liu et al. (2017) |
| 駐極體複合布 | ≥99% | 100~120 | 0.2~0.3 | N95口罩、專業防護服 | Chen et al. (2020) |
從表 3 可見，SMS 結構的非織造布複合材料在過濾效率方麵較為基礎，適用於一般醫療環境；而 SMMS 和 SMMMS 結構由於增加了熔噴層數量，過濾效率更高，適用於需要更強防護的場合，如手術室和隔離病房。相比之下，納米纖維複合布和駐極體複合布的過濾效率可達 99% 以上，特別適合用於 N95 口罩和高風險防護裝備。然而，這類材料的透氣性相對較低，可能導致佩戴者在長時間使用時感到不適，因此在實際應用中需要結合其他優化措施，如改進材料結構或增加透氣層，以平衡過濾性能與舒適性。
此外，不同材料的厚度也影響其防護性能和穿戴體驗。較厚的 SMMMS 材料雖然提供了更高的過濾效率，但在高溫環境下可能會導致悶熱感，而納米纖維複合布雖然輕薄，但成本較高，限製了其大規模應用。因此，在選擇非織造布複合材料時，應根據具體使用場景綜合考慮各項性能指標，以確保既能滿足防護需求，又能兼顧舒適性和經濟性。
結論與未來發展方向
隨著生物防護需求的不斷提升，非織造布複合材料在防護服中的應用日益廣泛。當前的研究和實踐表明，材料的過濾效率受多種因素影響，包括纖維直徑、孔隙率、材料厚度、靜電效應以及測試條件等。通過優化這些參數，可以在不犧牲透氣性和舒適性的前提下，提高防護性能。此外，現有的測試標準和方法已較為成熟，為材料性能評估提供了科學依據。然而，麵對不斷變化的防護需求和新型汙染物的出現，未來的研究仍需在以下幾個方向進一步深化。
首先，開發更高效的過濾材料仍是研究重點。納米纖維複合材料和駐極體材料已在實驗室階段展現出優異的過濾性能，但其大規模生產和成本控製仍然是挑戰。因此，未來應探索更具經濟可行性的製備工藝，以推動高性能材料的實際應用。其次，智能防護材料的研發值得重視。例如，結合傳感器技術的自適應過濾係統，可根據環境汙染物濃度自動調節過濾效率，從而在保障安全的同時提高穿戴舒適性。此外，環保可持續性也是未來發展的重要方向。目前，許多非織造布材料仍依賴不可降解的聚丙烯（PP）等合成纖維，未來可探索生物基或可降解材料的應用，以減少廢棄物對環境的影響。
與此同時，測試標準和評價體係也需要不斷完善。隨著新型防護材料的出現，現有測試方法可能無法完全反映其真實性能，因此需要建立更加精準和多元化的評估體係。例如，結合計算流體力學（CFD）模擬和實驗測試，可以更全麵地分析材料在複雜環境下的過濾行為。此外，針對不同應用場景製定細分標準，也有助於提升材料匹配度，提高防護效果。
總體而言，非織造布複合材料在生物防護服中的應用前景廣闊，未來的發展方向將圍繞材料創新、智能化升級、環保可持續性以及測試標準優化等方麵展開。通過持續的技術進步和跨學科合作，有望進一步提升防護材料的綜合性能，滿足多樣化防護需求。
參考文獻
- ASTM International. (2021). Standard Test Method for Determining the Initial Filtration Efficiency of Materials Used in Medical Face Masks Using Latex Particles. ASTM F2299/F2299M-03(2017).
- European Committee for Standardization. (2014). Medical face masks — Requirements and tests methods. EN 14683:2014.
- National Standards of the People’s Republic of China. (2016). Technical Specification for Daily Chemical Protective Masks. GB/T 32610-2016.
- National Standards of the People’s Republic of China. (2013). Disposable Medical Masks. YY/T 0969-2013.
- National Standards of the People’s Republic of China. (2011). Medical Surgical Masks. YY 0469-2011.
- National Standards of the People’s Republic of China. (2019). Respiratory Protection — Non-Powered Air Purifying Particulate Respirators. GB 2626-2019.
- DuPont. (2020). Tyvek® Technical Data Sheet. Retrieved from http://www.dupont.com
- Kingfa Science & Technology Co., Ltd. (2021). Product Specifications for Spunbond-Meltblown-Meltblown-Spunbond (SMMS) Nonwoven Fabric.
- Jinlun New Materials Co., Ltd. (2022). High-Performance Multilayer Nonwoven Composite Material for Biological Protection.
- Liu, Y., Zhang, X., Zhang, J., et al. (2017). "Electrospun Nanofibrous Membranes for High-Efficiency Air Filtration." Journal of Membrane Science, 537, 169–178.
- Chen, C., Li, Z., Wang, Y., et al. (2020). "Enhanced Filtration Performance of Electret Meltblown Nonwovens for Respiratory Protection." Fibers and Polymers, 21(5), 1023–1032.
- Zhang, H., Zhao, W., Wu, Q., et al. (2019). "Pore Structure Analysis and Filtration Mechanism of Meltblown Nonwovens." Textile Research Journal, 89(18), 3712–3721.
