聚丙烯材料在醫用口罩中的應用
陶永亮
重慶川儀工程塑料有限公司 重慶 400712；
摘要：新型冠狀病毒感染的肺炎疫情爆發以來，醫用口罩的需要量大，對醫用口罩的生產至關重要。本文介紹了醫用口罩的結構、醫用口罩材料及加工等，對無紡布的分類、製作工藝、過濾原理和醫用口罩加工作了較詳細地闡述。醫用口罩製作離不開聚丙烯材料，通過文中的描述，加深了聚丙烯材料在醫用口罩生產過程中的重要性。
主題詞：聚丙烯 無紡布 熔噴布 醫用口罩 生產工藝
Application of Polypropylene Material in Medical Mask
Tao Yong liang
Chongqing Chuanyi Engineering Plastics Co., Ltd. China 400712；
Abstract: Since the outbreak of 2019-ncov pneumonia，Medical Masks are in great demand，Is Critical to the manufacture of surgical masks. This paper introduces the structure of medical mask，Materials and processing of medical masks，Classification of non-woven fabrics，Manufacturing process，The filtration principle and the processing of medical mask are described in detail. Medical Masks can not be made without polypropylene material，Through the description in the article，The importance of polypropylene material in the production of medical mask was deepened.
Key word：Polypropylene；Non-woven fabric；Meltblown cloth；Medical mask；Production process；
2020年春節來臨之際，新型冠狀病毒（2019-nCoV）疫情突如其來並肆虐全國。隨著新型冠狀病毒感染的肺炎疫情蔓延，具有人傳人的特點，口罩需求量激增，全國都需要，對口罩的生產至關重要。能阻隔病毒的口罩用醫用口罩和醫用外科口罩（簡稱醫用口罩），製作醫用口罩選用聚丙烯等材料，生產技術壁壘不很高，主要瓶頸在於醫用資質和原材料供應。部分大型企業有超強的代工能力和綜合製造能力，轉產能力非常強及時轉產口罩生產，極大地緩解口罩使用壓力。為了讓讀者對醫用口罩的材料和生產狀況有所瞭解，本文將聚丙烯怎樣做成口罩的經過做個分享。
01
醫用口罩結構的基本結構
1，醫用口罩結構的基本結構
醫用口罩一般由無紡布、熔噴布、鼻樑條、耳帶等構成，部分醫用口罩帶有呼吸閥，如圖1所示。主體結構為三層無紡布，又稱SMS結構，他們之間的區別及功能如下：S層為聚丙烯專用樹脂做成無紡布，內S層是普通無紡布，主要是吸溼功能；外S層是做了防水處理的無紡布，主要用於隔絕患者噴出的液體，起到防飛沫的效果；M層為高熔融指數的聚丙烯專用樹脂（改性塑料生產熔噴布專用料）做成經過駐極處理（駐極處理就是解決呼吸阻力和過濾效率這對矛盾體的最好辦法[1]）的熔噴無紡布，能過濾細菌懸浮顆粒，是最重要的核心層。鼻樑條是口罩裡面的一根細膠條，起著口罩固定在鼻樑上的作用。口罩鼻樑條全部由聚烯烴樹脂製成，它像金屬絲一樣具有隨外力作用而彎曲變形，失去外力作用不回彈，保持已有形狀不變的優異性能，能與無紡布材料相似相熔，起著口罩固定在鼻樑上的作用。鼻樑條也有用金屬條製作的。口罩耳帶是穿戴口罩繩類產品，一般用TPU材質口罩鬆緊帶或無紡布鬆緊性耳繩耳帶等。
a)醫用口罩
b)3M醫用口罩
c)3M醫用口罩(帶呼吸閥）
圖1，醫用口罩樣品圖
02
醫用口罩材料及加工
2.1 醫用口罩材料介紹
SMS(Spunbond/Meltblom/Spunbond)是20世紀90年代初由美國一家公司開發出來的無紡布，它是紡黏和熔噴工藝的結合，是兩層紡黏(Spunbond)布和一層熔噴法（Melt-blom）布覆合。S:Spunbond，表示紡黏法成網；M:Melt-blom，表示熔噴法成網[2]。
醫用口罩中間的過濾層（M層）是熔噴過濾布，熔噴過濾布的主要材料就是熔噴布專用聚丙烯熔噴專用料。這種材料是一款熔指為1500左右的熔噴專用PP，具有超高流動，低揮發和窄分子量分佈的特性，灰分可控制在200ppm以內。具有超高的流動性，低揮發特性，成型後的過濾層具有較強的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性，能夠滿足醫用口罩核心層單位面積纖維數量和表面積的各項標準。
無紡布（S層）是相對紡織布來說，就是非紡織的布，是纖維而構成的。採用聚丙烯粒料為原料，高溫熔融後經擠壓紡絲、拉伸、鋪綱、粘合和卷取連續一步法生產而成[3]。也稱紡粘無紡布，它是在聚合物已被擠出、拉伸而形成連續長絲後，長絲鋪設成網，纖網再經過自身粘合、熱粘合、化學粘合或機械加固方法，使纖網變成無紡布[4]。
口罩的S層和M層儘管原料都是聚丙烯專用樹脂，但熔噴布專用料與其他無紡布原料在生產工藝和性能上存在很大差異。
2.2無紡布製作過程
無紡布即非織造布。非織造技術有紡絲成網法（即紡黏法）和熔噴法。兩種方法工藝原理相似，即聚合物都要在熔融狀態下，由噴絲孔擠出。紡黏法工藝是使離開噴絲孔的細絲經氣流拉伸後形成長絲，鋪放到成網簾上；熔噴發工藝是使噴絲孔的溶體在高速熱空氣作用下被吹成超細的短纖維，以極高速率飛向凝網簾帶或者滾筒形成纖網，纖網經熱黏合或者自身黏合加固成無紡布[5]。
其中熔噴布，俗稱口罩的“心臟”，是口罩中間的過濾層，能過濾細菌，阻止病菌傳播。熔噴布是一種以高熔融指數的聚丙烯為材料，由許多縱橫交錯的纖維以隨機方向層疊而成的膜，纖維直徑範圍 0.5～10 微米，其纖維直徑大約有頭髮絲的三十分之一。下圖2是拍攝的熔噴布結構照片（飛納臺式掃描電鏡拍攝[6]）。
圖2， 熔噴布結構照片
2.3 熔噴無紡布過濾原理
熔噴無紡布主要材質是聚丙烯，是一種超細靜電纖維布，可以捕捉粉塵。（含有肺炎病毒的飛沫靠近熔噴無紡布後，會被靜電吸附在無紡布表面，無法透過）。新型冠狀病毒尺寸很小，在 100 納米（0.1微米）左右，但是病毒無法獨立存在，其傳播途徑主要有分泌物和打噴嚏時的飛沫，飛沫的大小在 5 微米左右。熔噴布本質上是一種纖維過濾器，含有病毒的飛沫靠近熔噴布後，也會被靜電吸附在表面，無法透過。這就是這種材料隔絕病菌的原理。粉塵被超細靜電纖維捕捉住後，極不易因清洗而脫離，且水洗亦會被破壞靜電的吸塵能力。因此這種口罩只能一次性使用。
2.4 熔噴無紡布製備
熔噴法是一種長纖維拉伸工藝。聚合物經由直線排列的小孔擠出，在呈一定角度的高速熱氣流噴射下形成纖維。這些纖維因拉伸或者延伸變細，經由空氣冷卻，在運動著的帶有真空抽吸的傳送帶上形成一張多空結構的平網。不同設計的PP熔噴生產線基礎單元是共同的。包括：1）喂料系統，通常是螺桿擠出機；2）計量泵系統；3）熔噴模頭（紡絲組建）；4）空氣供應系統；5）收集裝置；6）卷繞系統[7]。
熔噴法工藝原理如圖3所示[8]。聚合物母粒放入擠出機，並在擠出機內熔融，溫度在240℃左右（針對聚丙烯一熔噴法採用的主要樹脂）。熔體通過計量泵，到達熔噴模頭。計量泵測量輸出到噴嘴的熔體流量。噴絲嘴是一排間距不到1mm，直徑在0.2～0.4mm的毛細管。在的兩側就是進氣孔，加人250～300℃的壓縮空氣。在剛剛形成的聚合物擠出噴絲頭時，壓縮空氣的頭端作用於聚合物，以高於聲速（550m/s）的氣流將熱長絲牽伸至直徑1～10μum，根據其物理特性這種網被稱為微纖網。熱空氣向下流動時與周圍空氣混合，使纖維冷卻並最終固結成短而細的纖維。圖4為熔噴加工示意圖。
圖3 熔噴法工藝原理
1--螺桿擠壓機；2--計量泵；3--噴頭；4--風速；5--簡饒裝置機；6--空氣系統
圖4 熔噴加工示意圖
熔噴法藉助高速熱氣流使剛擠出的高聚物熔體迅速高倍拉伸固化成形的紡絲方法。優點是工藝流程短，可以紡絲直接製成無紡織物。熔噴無紡布屬非織造布的一種。由於熔噴工藝的獨特性，使其生產出來的纖維 近乎超細纖維，因而熔噴無紡布具有優異的阻隔過濾性、透氣性、吸油性，廣泛用於醫療防護（包括部分防護衣服等）。熔噴工藝流程短、生產效率高、應用領域廣，已經成為國家建設、人類生活所不可缺少的新型工業產品。
2.5 SMS層合成及口罩加工
口罩中是SMS層結構，內外層是S層，中間層是M層，目前這三層有兩種組合方式。一種是在線複合，通過在同一條生產線上的紡黏和熔噴設備實現，一步法SMS（在線複合）。S、M、S均鋪在一條運動的網簾上，形成紡黏、熔噴、紡黏的複合纖維層，然後經過熱扎機進行熱黏合，最後經過卷繞機形成非織造布。還有一種是離線複合將先由紡黏和熔噴兩種工藝分別製得紡黏無紡布和熔噴紡黏布，再經過複合設備將兩種無紡布覆合在一起形成SMS複合型非織紡布 [9]。在線複合和離線複合都有各自的有點和不足。在線複合的產品質量好，生產量大，但是生產線設備昂貴；離線複合投資小見效快，相對的生產效率不是很高。根據各自的條件選擇複合的方式。目前口罩生產方式需用離線複合法，先將兩種無紡布按照口罩需要的尺寸裁剪好，放在口罩生產機械上按SMS要求三層疊加到生產自動線上主動複合成SMS口罩。這樣複合方式適應口罩的生產需要。現在的口罩加工設備都具有智能化，自動化，數字化的要求，只要將無紡布、熔噴布、鼻樑條、耳帶材料按要求進料，對耳帶，鼻樑條等都在線上完成，加上口罩材料是高分子材料，裝配加工中都採用超聲波加工，效率很高。基本上可以在從原料進廠，需經過口罩成型、壓合、切邊、耳帶點焊、鼻樑條線貼合、包裝、滅菌、解析（EO滅菌）方可製造完成（符合口罩相關行業及國家標準）。口罩上有呼吸閥的話，還加呼吸閥衝孔和呼吸閥焊接兩道工序[10]。
03
結束語
傳統的複合技術有紡黏熔噴複合非織造技術，這種將兩種加工工藝所生產的優劣互補，能解決熔噴布中纖維取向度低，強度不高等問題。現在熔噴工藝和駐極工藝結合，使熔噴布具有靜電性能，能夠有效歸集和阻隔微小顆粒，從而增強過濾效果，在這次口罩生產中得到體現。新型冠狀病毒感染的肺炎疫情在武漢爆發以來，傳播速度快，國家採取有力防控手段，使疫情得到了很好的控制。據相關人員分析，由於國內口罩尤其醫用口罩需求仍較為旺盛，聚丙烯熔噴無紡布短期內有一些供給缺口，但隨著武漢、湖北省外疫情逐漸得到控制，口罩需求預計將逐漸下降，未來隨著疫情防控到位或者疫情告一段落，聚丙烯熔噴無紡布預計將回落至正常生產水平，但醫用口罩仍將是單位、家庭和個人的常備用品。
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