分类空气净化和个人防护材料产品

按照应用领域，非织造空气过滤材料可以分为空气净化和个体防护空气过滤材料两大类，而个体防护空气过滤材料主要是口罩。

2.2.5.1　口罩

流行病学研究表明，如果长期暴露在PM2.5污染的环境中，可能会引发哮喘、支气管炎和心血管疾病等，严重危害人体健康。PM2.5颗粒物的直径相当于人类头发的1/20大小，不易被阻挡，容易在呼吸过程中进入人体肺部。PM2.5细颗粒物能在大气中停留更长时间，输送距离也更远，对大气环境及人体健康的影响更大。口罩是人们在雾霾天出行的防护必备，更是抗击新型冠状病毒肺炎疫情扩散的重要防护装备之一。当然，还有用于医护人员的医用口罩以及满足矿工等特殊作业工况需要的专业防护口罩或者呼吸器。

（1）口罩分类

按照用途，口罩可分为医用防护口罩、医用外科口罩、一次性医用口罩、工业防尘口罩和其他日常用途的口罩，前三种口罩属于医疗器械管理的范畴，必须符合医疗器械产品注册标准要求，其外包装通常有产品注册证号，属于一次性使用产品。医用防护口罩和医用外科口罩是2003年“非典”以后获得国家规范性管理的医用产品，属于第二类医疗器械，作为医疗器械管理。工业防尘口罩根据不同的作业需求和工作条件对粉尘的浓度和毒性进行限定，所有工业防尘口罩都适合有害物浓度不超过10倍的职业接触限值的环境，超出这一要求应使用全面罩或防护等级更高的呼吸器。

按照成型方法及外观，口罩又可以分为平面口罩和模压口罩两大类，其结构如图2-12所示（彩图见插页）。模压杯型口罩一般由针刺非织造材料、熔喷非织造材料和纺粘非织造材料组成，熔喷非织造材料的单位面积质量至少要达到40g/m2，再加上针刺非织造材料的厚度，所以外观上看起来比平面口罩更厚一些。

图2-12　口罩

当口罩所用材料符合标准要求，而且能与佩戴者面部紧密贴合时，呼气和吸气时气流会顺畅通过口罩。而当口罩外形与面部贴合性差，或者口罩所用过滤材料的过滤阻力较大时，吸气和呼气过程中，空气会从口罩与面部贴合处泄漏，达不到很好的防护效果。因此，口罩的外形结构对防护效果也有非常重要的影响。为了降低空气泄漏，防护型口罩必须设计成立体结构，靠头带和鼻夹施加一定压力使口罩与脸紧密地贴合。

一般口罩是靠佩戴者自主呼吸来克服口罩对空气的阻力，因此也可以称为自吸过滤式呼吸器。吸气时，口罩内的低气压使气流进入口罩；呼气时，口罩内气压高于环境气压，气流通过口罩排出。一些患有慢性呼吸疾病、心脏病或其他伴有呼吸困难症状的病人，佩戴口罩可能会引起呼吸更加困难。因此，市面上还有带有呼气阀的口罩，大大减轻了佩戴者的呼气阻力。但是，带有呼气阀的口罩只可以保护佩戴者，不能保护其周围人群。如果是病毒携带者，建议选用没有呼气阀的口罩，以免病毒传染。

常规口罩一般是由面层、芯层和内层构成的三层复合结构，其结构示意图如图2-13所示（彩图见插页）。面层为聚丙烯纺粘非织造材料，要求具有较好的拒水效果，防止飞沫黏附。内层也是聚丙烯纺粘非织造材料，要求具有较好的佩戴舒适性。而中间芯层为熔喷非织造材料，是口罩的核心过滤防护层。图2-14为一种口罩的截面电镜照片，可以看出，该口罩所用熔喷非织造材料较多，可能是一种N95口罩。而熔喷非织造材料的生产效率较低，这也就是在新冠肺炎疫情突发阶段口罩紧缺的原因。

图2-13　常规口罩的三层复合结构

图2-14　口罩的截面电镜照片

（2）口罩性能要求和测试标准

口罩类型不同，其过滤性能等指标要求不同，对其进行约束的标准也不同，具体如表2-2所示。

从表2-2可以看出，GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》、YY 0469—2011《医用外科口罩》、GB 2626—2019《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》这三个标准属于强制性标准，对颗粒物过滤效率和细菌过滤效率都有具体指标要求。GB 19083—2010的制定是源于2003年的SARS疫情，当时发现N95口罩可防止病毒传播，因此，在颗粒物过滤效率≥95%的基础上，加入抗合成血液穿透、抗沾水等性能，适用于病原传播性强、极需防护的医疗工作环境，特点是阻隔防护性、密合性强，对血液、体液等液体具有防护效果，主要用于疫情一线的医护人员、工作人员，不建议老人、儿童及体弱的健康成人佩戴。同时，GB 19083—2010中没有“N95”的提法，而是采用“1级”“2级”和“3级”来表示过滤效率等级。因此，一般1级就可以达到“N95/KN95”的要求。医用防护口罩芯层熔喷非织造材料的单位面积质量一般为45～55g/m2。

表2-2　口罩性能要求和相关测试标准

医用外科口罩虽然对颗粒物过滤效率要求较低，但对细菌过滤效率要大于95%。同时，其吸气阻力不能超过49Pa、呼气阻力不能超过29.4Pa，保障了医护人员在工作时的呼吸顺畅性。该类口罩主要用于医院的手术、置管等侵入性操作，感控重点监控部门也要求使用这类口罩。也适用于疫情时期民众防止携带病原体的体液、飞沫等的传播，保护自己和周围人群，但一般不建议普通消费者日常佩戴。该类口罩芯层熔喷非织造材料的单位面积质量一般为30～35g/m2。

满足GB 2626—2019《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》标准的口罩产品，主要是安监劳保领域用于防护各类颗粒物吸入的工作场合的口罩，其KN95规格产品与美国联邦法规42CFR Part84中N95的测试方法和要求类似，能起到较好的阻隔防护作用。

一次性医用口罩和日常防护口罩对应的规范标准分别YY/T 0969—2013《日常防护型口罩技术规范》和GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》，属于推荐性标准。一次性医用口罩是日常药房能见到的最多的口罩，其芯层熔喷非织造材料的单位面积质量一般为25g/m2，其主要考核指标是细菌过滤效率（≥95%），一般无法保证对病原微生物、粉尘的过滤。一般用于医院中常规护理，隔绝灰尘、飞沫、体液等有害物质，主要作用是阻隔医护人员与患者之间的日常交叉污染，并没有特别高的要求，同样适用于疫情时期民众佩戴防护。GB/T 32610—2016是基于近年来的雾霾情况，针对民众日常生活防护佩戴的口罩标准，同时采用盐性和油性气溶胶对其过滤效率进行测试，对口罩的密合性和所用过滤材料的要求很高，同样适用于疫情严峻时期的个人防护。

美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）根据过滤和防护油气溶胶性能，将呼吸防护面罩进行分类。根据气溶胶的性能，呼吸防护面罩可分为N型、R型和P型三种类型。不防油性气溶胶的防护面罩为N型，有一定防护油性气溶胶效果的防护面罩为R型，而有较强防油性气溶胶效果的面罩则为P型。另外，按照防护面罩的过滤效率将其分为95、99和100三个等级，分别对应对油性或盐性气溶胶的过滤效率为95%、99%和99.97%（本质上是100%）。举例来说，如果防护面罩的字母数字代码为P100，表明它可以过滤掉空气中99.97%的油性微粒。

在我国，根据GB 2626—2019的要求，KN型口罩主要用于防护非油性颗粒物，KP型口罩既可以防护油性颗粒物，也可以防护非油性颗粒物。化工行业接触较多的为油性颗粒物（如石蜡油蒸气等），一般使用KP型口罩。其他行业，包括普通民用，则以KN型口罩为主，KN型口罩无防水要求。KN90和KN95口罩是目前佩戴最广的防护口罩，其核心过滤材料为熔喷聚丙烯带电非织造材料。

（3）模压口罩结构剖析

常见模压口罩一般由面层、芯层，骨架层和内层组成，其结构示意图如图2-15所示，面层和芯层结构及性能如图2-16和表2-3所示。

从图2-16可以看出，口罩的面层为纺粘非织造材料，其纤维直径比较粗，在20μm左右，有较好的耐磨性。芯层为熔喷非织造材料，纤维直径比较细，在2μm左右，对防止细菌、血液渗透等起到至关重要的作用。骨架层为针刺非织造材料，赋予口罩所需的外形结构。内层为纺粘非织造材料，赋予口罩较好的佩戴舒适性。该种类型的口罩，如果所用纺粘和针刺非织造材料过厚，口罩就比较硬。而熔喷层过厚，则呼吸阻力较大。所以从口罩呼吸的难易程度可以判断口罩的阻隔效果，呼吸越困难，则阻隔效果越好。

图2-15　模压口罩结构示意图

图2-16　模压口罩中纺粘层和熔喷层非织造材料电镜照片(www.xing528.com)

表2-3　口罩结构及性能

2.2.5.2　空气净化用非织造过滤材料

众所周知，近年来我国空气质量堪忧，空气质量指数时有超标，大气中PM2.5治理将是一个长期而艰巨的任务。因此，采用空气新风系统对进入室内的空气进行过滤处理，是目前较为流行的提高室内空气质量的手段。特别是在寒冷的冬季和炎热的夏天，许多幼儿园、中小学和家庭采用全新风系统来改善室内空气的清新度和洁净度。全新风系统一般是由新风、排风两个风道和空气过滤材料组成，通过将室外的新风引入新风风道，经由新风系统的净化单元过滤后，将洁净的空气送进室内，再将室内的污浊空气排放到室外。全新风系统一般采用正压送风的方式给室内输送新鲜且富含氧气的空气。目前，建筑物的新风系统主要有静电过滤和高效空气过滤材料过滤两种，鉴于高压静电场会产生臭氧，目前更多的方案倾向于高效空气过滤器加新风风机的方式。

除了民用和商业用建筑室内空气净化外，食品、医疗卫生、精细化工、高精密电子设备、食品无菌包装及航空航天等许多领域的生产加工车间，都需要达到一定标准的净化要求。只有采用有效的空气过滤净化系统，才能降低空气中细颗粒物和微生物的数量水平，从而生产出合格产品。

例如像卷烟厂一类的企业，为保障卷烟产品质量，对环境温湿度及含尘量的控制要求较高，通常采用组合空调系统来维持一个恒湿恒温与洁净的环境。而食用菌生产过程中，从实验室、冷却室、接种室、发菌房，再到出菇房等一系列操作环境必须达到一定的空间洁净度要求，需要采用空气过滤系统来净化空气，以防止菌种制作、培养料灭菌及接种、栽培管理等过程中受到粉尘、细菌等污染，实现环境的无菌化，是食用菌栽培的关键之一。轿车涂装生产工序多，包括前处理、电泳、烘干、打磨、上胶、中面涂等，整个涂装过程耗时较长，容易受到车间内灰尘颗粒的污染。为保证涂装质量，很多主机厂的涂装线是全封闭式车间，需要对进风进行过滤处理，确保达到各个工艺控制点的灰尘颗粒数要求，提升涂装品质。

过滤材料是影响过滤空气净化效果的主要因素之一。目前，高效空气过滤材料有玻璃纤维滤纸、驻极体聚丙烯熔喷非织造材料、PTFE微孔膜等，其中玻璃纤维滤纸因性能稳定、价格合理而成为主流过滤材料。但玻璃纤维脆性大，生产加工过程中容易产生粉尘，危害工人身体健康。普通的空气过滤材料，在纤维非常细且结构紧密时才具有较高的过滤效率，但同时也具有较高的过滤阻力。因此，在满足系统新风量要求的基础上，选择性能优良的过滤材料制成空气净化单元，对滤除空气中的微细颗粒物十分重要。

（1）空气净化过滤材料的分类及特性

GB/T 14295—2008《空气过滤器》将空气过滤器分为粗效空气过滤器、中效空气过滤器、高中效空气过滤器和亚高效空气过滤器，过滤效率要求如表2-4所示。相应地，所用过滤材料也可分为粗效过滤、中效过滤以及高效过滤材料。在某些特殊应用领域，还有超高效过滤材料器。

表2-4　空气过滤器的分类与性能指标要求

①初效过滤材料。初效过滤主要适用于空气净化系统的初级过滤，能滤除5µm以上的颗粒物。在空气净化系统中，主要作为预过滤保护中效及高效过滤和空调箱内的其他配件，以延长其使用寿命。初效过滤材料主要有板式、折叠式及袋式三种外观结构，过滤材料主要采用非织造材料、机织滤网、金属筛网等。初效过滤主要用于中央空调和通风系统预过滤、洁净回风系统、局部高效过滤装置的预过滤等场合。

② 中效过滤材料。中效过滤材料可以捕集1～5µm的颗粒灰尘及悬浮物，对粒径大于等于1µm微粒的过滤效率为20%～70%。具有风量大、阻力小、容尘量高等特点，广泛应用于各种空调设备及空调系统中。在对空气净化洁净度要求不高的场所，经中效过滤器处理后的空气可直接送至用户。还可以用于制药、医院、电子、食品等工业净化，以及高效过滤的前端过滤。中效过滤材料主要有玻璃纤维非织造过滤材料、熔喷非织造过滤材料、超细纤维非织造过滤材料以及微孔聚乙烯泡沫塑料等。

③高效过滤（HEPA）材料。高效过滤材料可以捕集0.5µm以下的颗粒灰尘及悬浮物，其中对粒径大于等于0.5µm微粒的过滤效率在95%～99.9%的过滤材料属于亚高效过滤材料，对粒径大于等于1µm微粒的过滤效率在70%～99%的过滤材料属于高中效过滤材料，而高效过滤器一般采用超细玻璃纤维非织造材料和聚丙烯熔喷非织造材料作为过滤材料，折叠后制成过滤单元，具有过滤精度高、过滤速度快、纳污量大等特点。高效过滤是空调净化系统中的终端过滤，也是高级别洁净室中必须使用的终端净化设备，

高效过滤器广泛用于光学微电子、精密仪器仪表、生物医药、饮料食品等无尘净化车间的空调末端送风处。根据功能、结构的不同，高效过滤器还可以分为超高效过滤器、大风量高效过滤器、亚高效过滤器及抗菌型无隔板高效空气过滤器等。

经过十余年的发展，高效空气过滤装置实现了国产化，在满足基本的高效过滤功能外，在原位检漏和原位消毒等核心技术方面实现了原始创新。在标准规范方面，GB/T 14295—2008《空气过滤器》适用于常温、常湿、包括外加电场条件下的通风、空气调节和空气净化系统或设备的干式过滤器。GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》对生物安全型高效空气过滤器提出了具体性能指标要求，它是一种专门用于生物安全领域的通风过滤装置，内部安装有高效空气过滤器，是生物安全实验室最重要的二级防护屏障之一，可有效防止实验室内生物气溶胶泄漏到室外环境。医院的呼吸道传染病污染区和半污染区内的排风系统，要达到GB 15982—2010《医院消毒卫生标准》要求的病房内空气菌落数要求。一般需要在新风系统末端设置高效过滤器，以控制菌落数和气凝胶，限制病毒的宿源，抑制受控环境的人员释放病毒和细菌滋生条件。

不同国家和地区对高效过滤器的过滤效率要求不同。美国能源部将对0.3µm颗粒物的滤除率达到或超过99.97%的滤材或过滤器定义为高效空气过滤，欧盟则将高效空气净化器按照过滤效率分为3个等级：E10～E12（efficient particulate air filters）、H13～H14（high efficiency particulate air filters）、U15～U17（ultra low penetration air filters），其中H13级别以上的空气净化器对于0.3µm颗粒物的过滤效率大于等于99.95%。

（2）空气净化用非织造过滤材料研究现状

过滤材料是空气过滤器的核心部件。传统空气净化材料过滤精度低、使用周期短、更换频次高。非织造材料是高效过滤器最有效、最可靠和最经济的过滤材料，在过滤阻力、过滤效率和容尘量等方面综合表现好。20世纪50年代，美国人将湿法成型超细玻璃纤维非织造材料成功用于高效空气过滤，并一直沿用至今。常见湿法玻璃纤维非织造材料产品如图2-17所示。但由于玻璃纤维脆性大，在使用过程中存在短纤维脱落隐患，迫切需要开发更多新型高效低阻过滤材料。将粗效针刺非织造材料作为接受基布，在线熔喷复合制备出的复合过滤材料，在具有亚高效过滤性能的同时，还具有较好的力学性能，是一种新型复合非织造空气过滤材料。

图2-17　湿法成网化学黏合玻璃纤维非织造材料电镜照片

PTFE微孔膜是一种多孔、高通量的有机聚合物薄膜，具有初始阻力小、过滤效率高等优点，近几年在高效空气过滤领域的应用越来越广泛。但由于其厚度薄、抗拉强度较差，实际应用中需要与支撑材料复合，形成PTFE微孔膜复合滤材。常用的支撑材料有针刺毡、编织物或纺粘非织造材料等。有人以PTFE微孔膜作为过滤层，将其与熔喷非织造材料热黏合在一起用作高效空气过滤材料，其截面结构如图2-18所示。

近年来，以纳米纤维为介质的高效空气过滤材料以其比表面积大、过滤精度高等优势引起研究者的广泛关注。但纳米纤维还处在规模化生产攻坚阶段，本书不做讨论。随着熔喷非织造成形工艺技术的发展，已经可以产业化生产纳米级熔喷非织造材料，为高效过滤市场提供了更多的解决方案。近几年来，大容尘量、长寿命、梯度密度的新型过滤材料正逐步走向市场。

另外，高效空气过滤器的过滤阻力主要包括过滤材料的过滤阻力和结构阻力。目前，关于过滤材料的过滤阻力方面的研究较多。通过对过滤器结构和参数的合理设计，可在几乎不影响过滤器效率的情况下，有效减小过滤器的过滤阻力。

高效空气过滤材料主要采用如图2-19所示的折叠结构。有人研究了折叠形式、摺间距对过滤阻力的影响。结果发现，随着摺间距的减小，过滤阻力先减小、后增大，当摺间距为2.5mm时过滤阻力最小。与U型和V型相比，∠型折叠形式的过滤阻力最小。三种折叠方式如图2-20所示。

图2-18　熔喷非织造覆膜过滤材料的截面结构

图2-19　折叠滤芯过滤器

图2-20　三种折叠方式示意图