3.3　可重復使用口罩關鍵技術及產業化發展現狀

　口罩重復使用技術

口罩使用過程中，因細菌病毒在靜電層的沉積以及哈氣（水汽）等導致荷電層靜電的消除，都會損傷其過濾效果，甚至失效。因此，新冠病毒感染的肺炎疫情（簡稱新冠疫情）期間若想重復使用口罩，需要重點考慮兩點問題：一是如何在不破壞口罩材料及微觀結構的情況下，殺死或者去除沉積到口罩上的新冠病毒；二是重新恢復口罩過濾層電荷或將外界電荷轉移至過濾層（即荷電再生），以保證重復使用的口罩仍具有一定的顆粒物阻隔效果。2020年2月14日，科學網報道了北京化工大學陳建峰院士科研團隊關于新冠肺炎疫情應急時期口罩重復使用的初步研究成果。

首先，研究人員將使用后的一次性醫用無紡布口罩置于熱水中做消毒殺菌清潔處理，隨后采用電吹風機、電風扇、電子點火器等對“失效”的口罩進行吹干荷電處理，證實口罩可重新荷電而再生靜電效應。基于此，研究人員提出應急時期一次性醫用無紡布口罩荷電再生導則，具體步驟如下：

① 將用過的一次性醫用無紡布口罩置于大于56℃的熱水中浸泡30min（參考《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第四版）》所述56℃30min可有效滅活病毒），通常沸水與室溫水（按20℃算）1∶1混合后約為60℃，為提高滅毒殺菌效果，可適當提高沸水比例。

② 將口罩從水中取出，甩掉表面液滴，平放在干燥的絕緣材質表面（如桌布、床單等），用電吹風機吹烘約10min吹干并荷電，或用普通電風扇吹口罩約15min，或用普通家用電子點火器對口罩進行全面覆蓋的“電擊”，通過口罩內部纖維的摩擦或外部放電等，使口罩材料重新荷電。

③ 在絕緣桌面上撒一些碎紙屑，將荷電后的口罩平放并使外層接近碎紙屑，距離約1mm但并未接觸時，可觀察到口罩對碎紙屑的靜電吸附現象，認為口罩荷電成功，可以再使用；如靜電吸附現象不明顯，則延長電吹風機吹烘口罩的時間，再次通過“紙屑吸附”檢驗荷電情況，至荷電成功，可以再使用。

為進一步驗證采用家用器件使口罩重新荷電的可行性，研究人員采用普通家用打火機拆下的點火器作為靜電發生器，在口罩特定部位進行“電擊”（范圍1cm×1cm，約10s）。結果同樣顯示，“充電”后的口罩可以吸附小紙屑，荷電效果顯著。

根據國家衛生健康委員會于2020年2月6日發布的《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第四版）》，56℃條件下30min可有效殺滅新冠病毒，荷電再生處理有助于恢復口罩過濾層靜電，從而使其具有高的顆粒物過濾性能。口罩作為阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環境間傳播的具有一定保護功能的用品，其對顆粒物的過濾效率是檢測其應用性能的重要指標之一。再生口罩對于阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環境間傳播具有顯著作用。

相關研究結果表明：在疫情應急時期，口罩重復使用是可行的，可緩解當前市場需求與供給的矛盾，且可節約資源、減少環境污染。

　可重復使用口罩標準

現有的口罩產品標準，主要是針對口罩一次性使用的性能制備做了規范和要求，對于如何考核其可重復使用性能并沒有具體規定。我國關于口罩產品的標準主要有5個，其中包括3個醫用口罩標準：醫用防護口罩（GB 19083）、醫用外科口罩（YY 0469）、一次性使用醫用口罩（YY/T 0969）；1個屬于工業領域的呼吸防護自吸過濾式防顆粒物呼吸器（GB 2626）；1個屬于民用領域的日常防護型口罩（GB/T 32610）。

相關口罩標準主要是針對一次性使用的技術要求，對于如何考核其可重復性能沒有具體規定。GB 2626—2019標準中雖提及了“若產品設計允許過濾原件在清洗和/或消毒后重復使用”的要求，但工業口罩主要針對特定環境和特定人群使用，在疫情防控期的民用場所，相關產品供應量十分有限。因此有必要編制一套標準予以規范口罩的“可反復多次使用”。按照北京市政府有關工作要求，北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室張立群教授等牽頭起草完成了國際首個《可重復使用民用口罩》團體標準（編號：T/BJFX 0001—2020）。2020年3月17日—31日，《可重復使用民用口罩》團體標準（征求意見稿）在北京服裝紡織行業協會網站公示并公開征求意見反饋。標準起草組根據征求意見進一步完善標準文本，形成送審稿和編制說明。2020年4月2日，北京服裝紡織行業協會在北京化工大學組織召開了《可重復使用民用口罩》團體標準評審會。評審專家組一致認為標準文稿內容完整、指標合理、表述準確。特別是在防控新冠肺炎疫情期間，針對國內缺乏可重復使用民用口罩規范標準的現實問題，《可重復使用民用口罩》團體標準的指標既考慮了疫情防控的短期應急，同時兼顧了長期戰略儲備的需求，具有較高的專業水平和先進性。評審專家組一致同意通過對該標準的評審。2020年4月13日，北京服裝紡織行業協會在全國團體標準信息平臺發布《可重復使用民用口罩》團體標準并正式實施。

《可重復使用民用口罩》團體標準適用于在日常生活中阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物的可重復使用的民用口罩。按照口罩功能及使用場景，分為可重復使用民用防護口罩、可重復使用民用衛生口罩。其中可重復使用民用防護口罩定義為潛在高污染或高風險場景下用于濾除病原微生物、粉塵、煙、霧等顆粒物的具有高度防護性能的可多次使用民用口罩，對防護效果和密合性能要求較高，核心指標為過濾效率、呼吸阻力與總泄漏率；可重復使用民用衛生口罩定義為日常環境下用于阻隔飛沫、花粉、微生物等顆粒物在人與環境間傳播的具有一定保護功能的可多次使用民用口罩，對口罩材料阻隔性能和透氣性要求較高，主要適用于日常生活環境下的佩戴，核心指標為過濾效率和通氣阻力。考慮到兒童群體以及醫療環境、缺氧環境、水下作業、逃生、消防及工業防塵等特殊行業，本標準特別指出，不適用兒童口罩、醫療環境、缺氧環境、水下作業、逃生、消防、醫用及工業防塵等特殊行業用呼吸防護用品。

口罩可重復使用場景主要面向大規模區域性肺炎、流感等疫情期間，以及其他防控應急情況下口罩供應急劇短缺時，通過科學使用口罩，讓每一只口罩發揮最大效能，避免過度防護和無效防護，保障疫情防控質量，并節約資源、減少環境污染。嚴禁個人或企業將廢棄口罩回收處理后，二次銷售使用。因此，在標準范圍中特別指出了，本標準不適用于已廢棄口罩。從保護環境、應對疫情的雙重角度看，《可重復使用民用口罩》團體標準提倡企業生產可重復使用民用口罩。

　可重復使用口罩材料產業進展

自2020年2月以來，陳建峰院士牽頭承擔的國家科技部重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項，緊急組織全國優勢產學研力量，圍繞“可重復使用防護口罩關鍵技術及產業化”重大需求，針對我國廣泛使用的平面結構的口罩中的過濾層材料及熔噴纖維布供給瓶頸問題，開展了系列應急攻關，其產業化嘗試已初見成效。

北京化工大學張立群教授團隊針對我國廣泛使用的SMS結構的防護口罩中的過濾層（M層）材料及熔噴纖維布供給瓶頸問題，創新性地提出制備高荷電、高抗靜電衰減、抑菌、耐老化的新型熔噴級聚丙烯（mb-PP）復合材料。基于前期聚烯烴材料結構調控及結構性能關系研究基礎，研制出了25g/m2級別、國內阻隔效率最高且高靜電穩定的纖維布（初始濾效PFE=97.2%，30L/min，經過10次消洗后，PFE=92%，30L/min），使用該材料制造的平板型防護口罩佩戴3天后（累積佩戴時間>24h，經過熱水消洗3次）的PFE>90%，30L/min。支持合作企業山東道恩高分子迅速建設年產萬噸新型mb-PP復合材料生產線，2020年3—6月期間，新型mb-PP復合材料產銷超過4000t（可制成平面口罩40億只）。

浙江理工大學陳文興院士、郭玉海教授和于斌教授等，研發了可替代熔噴材料的聚四氟乙烯軟支撐納米復合膜材料。這種新材料相比傳統熔噴材料，具有過濾性能優越、透氣性強、生產效率高、易于儲存等多種優勢。以市面上的常規口罩為例，其大多使用熔噴材料作為核心阻隔層，過濾原理主要是在熔噴材料中加載荷電層，通過靜電的吸附作用，將超細顆粒和飛沫吸附在口罩上，從而隔絕病毒。一旦口罩因水汽（哈氣）或細菌、病毒在靜電層的沉積導致荷電層靜電消除，過濾效果將大大降低。這就是一般口罩每隔4h需要更換的原因。同時，由于生產過程需要對熔噴材料加載靜電，所以生產效率較低。浙江理工大學團隊研發的軟支撐納米纖維膜口罩新材料，通過將材料拉長分裂延伸至幾十納米粗細的纖維，并控制纖維組成孔徑大約為0.1～0.3μm的納米數量級，直接將細菌、病毒等極細微顆粒攔截在口罩外。這種方式無須花費時間加載靜電，從而克服了熔噴口罩材料生產效率低的問題。同時，因為是物理攔截，口罩也不會因為高濕等環境因素而影響過濾效果，為口罩的可重復利用和長期儲存提供了可能性，可作為國家應急戰備物資儲存。利用該材料制備的口罩，經國家勞動保護用品質量監督檢驗中心、國家紡織服裝產品質量監督檢驗中心（浙江）等多家機構測試，過濾效率大于95%，達到了GB 2626—2006標準中的KN95要求。同時，口罩的透氣性能也優于一般的KN95口罩。前者的呼吸氣阻力一般在100Pa以上，而新型材料經測試，吸氣阻力88～91Pa（遠低于標準要求“不大于350Pa”），呼氣阻力76Pa（遠低于標準要求“不大于250Pa”）。作為一種戰略儲備物資，這種材料的原料供應相對充足，在價格上相比現有的熔噴材料也有一定優勢，可以在短時間內緩解當下熔噴材料產能不足、“舉布維艱”的現狀。

清華大學伍暉教授等針對高性能、可重復使用的個人防護口罩的核心材料需求，在納米纖維制備方法上源頭創新，通過自主研發的高速氣流溶液紡絲技術獲得了一系列成分可調、結構可控、功能可疊加的納米纖維材料。研究團隊通過對溶液噴射行為和納米纖維成纖機理的系統分析和闡述，在此基礎上進一步改進納米纖維的成型和沉積等制造過程，成功地獲得了豐富的聚合物材料體系的納米纖維，將氣紡絲發展成為制造納米纖維的通用平臺性技術，并針對可反復消毒使用并可長期存儲的KN95口罩的市場需求開展科研攻關，通過對高分子溶液的設計和系統探索，最終獲得了平均直徑80nm的高穩定性納米纖維材料，在較短時間內完成了對接口罩生產的納米纖維氣紡絲制備設備的設計和制造，順利得到口罩專用標準濾材，并進一步完成相應口罩產品的試制、生產、通過標準檢測并投入實際應用。共設計、建設納米纖維標準化產線10條，成功研發得到不同種類的納米纖維口罩產品，并先后在權威機構通過了GB 2626（KN95防護口罩）、GB 19083（醫用防護口罩）、YY 0469（醫用外科口罩）等國家標準檢測，這一類新型材料在“抗疫”中得到了應用。

中原工學院何建新教授等基于印刷式線性靜電紡納米纖維制造技術，通過網膜層疊工藝，實現紡絲和口罩生產的匹配，創制出防護性能穩定和可多次重復使用的納米纖維膜口罩新材料。通過結構設計使得口罩材料具有呼氣阻力小、濾效高的特點，實現了依靠物理攔截濾材過濾性能優越，并且濾效不受高濕等環境影響的優良特征。利用模塊化印刷式靜電紡絲技術制備了納米纖維材料，通過調控納米纖維層的結構和厚度，研發了可滿足KN90、KN95、FFP2和FFP3標準的納米纖維口罩濾芯材料，并制備了KN95型和FFP2型納米纖維防護口罩。采用納米纖維膜制備的口罩性能高度穩定，可以反復消毒和重復使用，消靜電后過濾效率不降低，為傳統熔噴聚丙烯纖維防護口罩提供了很好的補充。也為口罩的可重復使用和長期儲存提供了可能性，為我國口罩應急物資儲備提供了新的技術方案。

長時間佩戴口罩過程中，容易造成細菌病毒等微生物在口罩內的滋生繁殖。因此在高風險環境下，對于攔截在口罩內的細菌病毒，可能會在口罩長時間佩戴過程中滋生繁殖，重新脫附并擴散到環境中，帶來潛在的生物學風險。北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室與北京鼎衛科技服務有限公司（以下簡稱北京鼎衛科技）合作，設計研發了一種具有抗新冠病毒功能的納米復合纖維濾材（以下簡稱北化-鼎衛濾材），該濾材以柔性聚合物纖維作為基材，以銅合金材料作為抗菌殺毒功能層。事實上，銅合金材料對細菌微生物的抑制作用，早已引起人們的關注。李時珍在《本草綱目》中將銅綠（銅與空氣中的氧氣、二氧化碳、水蒸氣反應生成的綠色堿式碳酸銅，又稱銅青）作為一類中藥，可用于治療走馬牙疳、口鼻疳瘡、楊梅毒瘡、臁瘡頑癬等細菌感染。現代科學對銅離子抗菌機制提出了多種科學解釋，比如，銅能夠接受和釋放電子從而在Cu+和Cu2+之間轉換，可以作為催化劑生成活性氧，進而導致對細菌生存至關重要的細胞成分如蛋白質、核酸和脂類(包括細胞膜)的氧化損傷。銅離子也可能會與Zn2+或其他金屬離子競爭蛋白質的結合位點，這種錯誤的結合導致蛋白質構象的改變，從而使蛋白質功能紊亂，造成細菌細胞的凋亡。北化-鼎衛濾材制造過程中，通過高效納米復合技術，在有機纖維表面形成一層納米銅合金涂層材料，每平方米銅含量僅350mg，銅與纖維結合力強，保證抗菌殺毒效果的同時，避免了重金屬對人體的潛在危害。根據中國醫學科學院醫學實驗動物研究所提供的檢測報告，參考ISO 18184—2019《紡織品——紡織品抗病毒活性的測定》標準開展復合濾材抗新冠病毒的體外實驗研究，“北化-鼎衛濾材作用1h，對新冠病毒SARS-CoV-2的殺滅率大于99.9%”。應用高效殺滅病毒的過濾材料，可望減少口罩等制品長期使用過程中病毒積累的風險，提供更加安全的抗病毒防護效果。通過對已有的抗菌濾材生產線進行工藝升級，北京鼎衛科技很快實現了抗新冠病毒有機無機納米復合濾材的規模化生產，產能達到了2萬米2/天，并率先在民用口罩領域應用殺滅新冠病毒的材料，即在口罩熔噴布過濾層與內層之間增加一層該殺毒濾材，降低口罩長期使用過程中的細菌病毒積累的風險。

除了應用于普通百姓佩戴的口罩外，該抗病毒濾材用于室內場所使用的空氣凈化機以及空調等，均能起到凈化空氣的作用。在該類空氣凈化制品中，起到濾除病原微生物、粉塵、煙、霧等顆粒物作用的部件，通常是具有多孔結構的纖維材料，通過纖維靜電吸附以及纖維排列的微小縫隙，實現對病原體微生物等顆粒的阻隔。然而，由于新冠病毒在高分子聚合物塑料表面可存活2～3天，因此，對于攔截在口罩、空氣凈化機、空氣調節器等終端制品過濾材料表面的新冠病毒，可能會重新脫附并擴散到環境中，給使用人員帶來潛在的生物學風險。因此，該成果（能夠有效殺滅新冠病毒的空氣凈化材料）可望減少空氣凈化制品長期使用過程中的病毒積累風險，提供更加安全的空氣凈化和病毒防護效果。