生物防护服中非织造布复合材料的过滤效率评估
在医疗、工业及应急救援等领域，生物防护服作为防止有害微生物、化学物质或颗粒物侵入人体的重要屏障，其性能直接影响使用者的安全。其中，非织造布复合材料因其优异的物理机械性能、透气性以及良好的过滤效率，广泛应用于各类防护服装。这类材料通常由多层不同功能的非织造布通过热压、粘合或熔喷等工艺复合而成，以增强其阻隔能力并提高舒适度。因此，对生物防护服中非织造布复合材料的过滤效率进行科学评估，不仅有助于优化材料设计，还能确保防护装备符合相关行业标准。
过滤效率是衡量防护服材料阻挡微粒能力的关键指标，主要涉及对气溶胶粒子（如细菌、病毒、粉尘等）的拦截效果。目前，国际上普遍采用 ASTM F2299、EN 14683 等标准测试医用防护材料的过滤效率，而我国则依据 GB/T 32610-2016 和 YY/T 0969-2013 等规范进行检测。这些方法主要通过粒子计数法测定材料对特定粒径范围内颗粒的过滤率，并结合压力降、透气性等参数综合评价材料的适用性。此外，近年来的研究还关注于新型纳米纤维复合膜、驻极体材料等技术的应用，以提升非织造布复合材料的过滤性能，同时兼顾穿戴舒适性。
为了全面评估生物防护服中非织造布复合材料的过滤效率，本研究将结合国内外最新研究成果，分析不同结构、成分和加工工艺对材料过滤性能的影响，并探讨现行标准与测试方法的适用性。同时，本文还将提供典型产品的性能参数对比表，以帮助读者更直观地理解各类非织造布复合材料的优劣及其应用场景。
非织造布复合材料的组成与结构特点
非织造布复合材料是由多种非织造布基材通过物理或化学方式结合而成的多功能材料，具有优异的力学性能、透气性和过滤效率。常见的非织造布基材包括纺粘（Spunbond, SB）、熔喷（Meltblown, MB）、热轧（Thermal Bonded）、湿法成网（Wetlaid）等类型，其中纺粘布提供较高的强度和耐用性，而熔喷布因纤维直径细小且孔隙率适中，具备较强的微粒拦截能力。复合工艺方面，常用的有热压复合、胶粘复合、超声波焊接等，其中热压复合能够有效增强材料的整体结构稳定性，而胶粘复合则适用于不同材质之间的结合，以改善整体性能。
从结构上看，典型的生物防护服用非织造布复合材料通常为多层结构，例如 SMS（Spunbond-Meltblown-Spunbond）、SMMS（Spunbond-Meltblown-Meltblown-Spunbond）或 SMMMS（Spunbond-Meltblown-Meltblown-Meltblown-Spunbond）组合。其中，外层纺粘布提供机械支撑和耐磨性，中间熔喷层负责高效过滤，而内层纺粘布则保证穿着舒适性。这种多层结构不仅能提高过滤效率，还能维持较低的呼吸阻力，使防护服兼具防护性与舒适性。此外，部分高端产品还会引入纳米纤维层或驻极体材料，以进一步提升过滤性能。
表 1 展示了常见非织造布复合材料的基本组成、结构特征及其主要应用领域，以帮助读者更直观地了解不同材料的特性与适用场景。
| 材料类型 | 基材组成 | 结构形式 | 特点 | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| SMS | 纺粘 + 熔喷 + 纺粘 | 三层 | 良好的过滤效率和机械强度 | 医疗防护服、口罩 |
| SMMS | 纺粘 + 双层熔喷 + 纺粘 | 四层 | 过滤效率更高，适用于较严格防护需求 | 医用手术衣、隔离服 |
| SMMMS | 纺粘 + 三层熔喷 + 纡粘 | 五层 | 极高过滤效率，适合高风险环境 | 实验室防护、生化防护服 |
| 纳米纤维复合布 | 纺粘/熔喷 + 纳米纤维涂层 | 多层复合 | 极细纤维，增强微粒捕集能力 | 高效防护口罩、空气净化 |
| 驻极体复合布 | 纺粘/熔喷 + 驻极处理 | 单层或多层 | 利用电荷吸附效应提高过滤效率 | N95口罩、高性能防护服 |
影响非织造布复合材料过滤效率的关键因素
非织造布复合材料的过滤效率受多种因素影响，主要包括纤维直径、孔隙率、材料厚度、静电效应以及流速条件等。这些参数直接决定了材料对气溶胶颗粒的拦截能力，从而影响其在生物防护服中的实际应用效果。
首先，纤维直径是影响过滤效率的核心因素之一。较小的纤维直径意味着更大的比表面积，从而增强了对微粒的吸附和拦截能力。研究表明，熔喷非织造布的平均纤维直径通常在 1~5 µm 之间，而纳米纤维复合材料的纤维直径可降至 100 nm 以下，显著提升了过滤性能（Liu et al., 2017）。然而，过细的纤维可能会增加空气流动阻力，降低透气性，因此需要在过滤效率与透气性之间取得平衡。
其次，孔隙率也是决定过滤效率的重要参数。较高的孔隙率可以降低空气阻力，提高透气性，但同时也可能降低对微粒的拦截能力。一般而言，熔喷布的孔隙率在 70%~85% 之间，而纺粘布的孔隙率较高，通常超过 85%，这使得前者更适合用于高效过滤层（Zhang et al., 2019）。
材料厚度同样会影响过滤性能。较厚的材料通常具有更多的过滤层，能够增强对微粒的多重拦截作用。然而，过厚的材料会增加穿戴者的负担，影响舒适性。因此，在设计生物防护服时，需要权衡材料厚度与整体防护性能之间的关系。
此外，静电效应在现代高效过滤材料中起着关键作用。驻极体材料通过电荷积累增强对微粒的吸附能力，使其在低纤维密度下仍能保持较高的过滤效率。例如，N95 口罩所采用的熔喷布通常经过驻极处理，以提高其对 0.3 µm 粒子的过滤效率（Chen et al., 2020）。
最后，流速条件也会影响过滤效率。在较高气流速度下，微粒的惯性增强，更容易被材料表面拦截，但同时也会增加穿透率。因此，在测试过滤效率时，需根据实际使用条件选择合适的流速标准，如 ASTM F2299 测试方法推荐的流速范围为 32 L/min 至 85 L/min（ASTM International, 2021）。
综上所述，纤维直径、孔隙率、材料厚度、静电效应及流速条件均对非织造布复合材料的过滤效率产生重要影响。在优化生物防护服材料时，应综合考虑这些因素，以实现高效过滤与良好透气性的平衡。
非织造布复合材料过滤效率的测试方法与标准
为了准确评估非织造布复合材料的过滤效率，国内外制定了多项测试标准，涵盖了医用防护材料、工业防护用品以及民用口罩等多个领域。目前，主要的测试方法包括粒子计数法、质量损失法、光学透过率法等，其中粒子计数法最为常用，因其能够精确测量不同粒径范围内颗粒的过滤效率。
在国际标准方面，美国材料与试验协会（ASTM）发布的 ASTM F2299/F2299M-03(2017) 是评估医用口罩及防护服材料过滤效率的重要标准，该标准规定了使用单分散乳胶球（PSL）粒子进行测试的方法，并要求测试流速控制在 32 L/min 或 85 L/min，以模拟正常呼吸条件下的空气流动情况。此外，欧洲标准 EN 14683:2014 专门针对医用面罩材料的细菌过滤效率（BFE）进行了规范，测试过程中使用金黄色葡萄球菌悬浮液雾化后通过样品，计算细菌过滤率。
在我国，国家标准 GB/T 32610-2016《日常防护型口罩技术规范》 规定了民用口罩的过滤效率测试方法，采用氯化钠（NaCl）气溶胶和油性颗粒物（如 DOP）进行测试，分别评估材料对盐性颗粒和油性颗粒的过滤性能。对于医用口罩，则依据 YY/T 0969-2013《一次性使用医用口罩》 和 YY 0469-2011《医用外科口罩》 进行 BFE 测试，其中后者要求细菌过滤效率不低于 95%。此外，中国国家标准化管理委员会发布的 GB 2626-2019《呼吸防护 自吸过滤式防尘口罩》 对 KN 类口罩（相当于 N95）提出了更高的过滤效率要求，即对非油性颗粒物的过滤效率不得低于 95%。
除了上述标准，近年来一些新兴测试方法也被广泛研究，例如基于激光散射原理的实时粒子计数法、利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维结构对过滤性能的影响，以及计算机模拟气流分布和粒子沉积行为等。这些方法有助于更深入地理解非织造布复合材料的过滤机制，并为材料优化提供理论支持。
表 2 总结了国内外主要的非织造布复合材料过滤效率测试标准及其适用范围，以供参考。
| 标准编号 | 测试方法 | 适用对象 | 主要参数 | 过滤效率要求 |
|---|---|---|---|---|
| ASTM F2299/F2299M-03(2017) | 粒子计数法 | 医用口罩、防护服 | PSL 粒子，粒径 0.1~5 µm，流量 32~85 L/min | ≥95%（N95 级别） |
| EN 14683:2014 | 细菌过滤效率（BFE） | 医用口罩 | 金黄色葡萄球菌悬浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| GB/T 32610-2016 | 盐性颗粒过滤效率 | 民用口罩 | NaCl 气溶胶，粒径 0.075~2 µm，流量 85 L/min | ≥90%（A 类） |
| YY/T 0969-2013 | 细菌过滤效率（BFE） | 一次性医用口罩 | 金黄色葡萄球菌悬浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| YY 0469-2011 | 细菌过滤效率（BFE） | 医用外科口罩 | 金黄色葡萄球菌悬浮液，流量 28.3 L/min | ≥95% |
| GB 2626-2019 | 盐性颗粒过滤效率 | 防尘口罩（KN 类） | NaCl 气溶胶，粒径 0.075~2 µm，流量 85 L/min | ≥95%（KN95） |
典型非织造布复合材料产品的过滤效率数据对比
为了更直观地展示不同类型的非织造布复合材料在过滤效率方面的表现，我们整理了几种常见材料的技术参数，并列出了它们的过滤效率、透气性、厚度及适用场景等信息。这些数据来源于各大厂商的产品说明书以及相关学术研究，涵盖医用防护服、工业防护用品及民用口罩等领域的典型应用。
表 3：典型非织造布复合材料的过滤效率与性能对比
| 材料类型 | 过滤效率（≥0.3 µm） | 透气性（mm/s） | 厚度（mm） | 适用场景 | 数据来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| SMS（S/M/S） | 85%~90% | 150~200 | 0.2~0.3 | 医疗防护服、普通口罩 | 杜邦公司技术手册（DuPont, 2020） |
| SMMS（S/M/M/S） | 90%~95% | 120~150 | 0.3~0.4 | 医用手术衣、隔离服 | 金发科技产品规格书（Kingfa, 2021） |
| SMMMS（S/M/M/M/S） | ≥95% | 100~130 | 0.4~0.5 | 高风险实验室、生化防护 | 苏州锦纶新材料（Jinlun, 2022） |
| 纳米纤维复合布 | ≥99% | 80~100 | 0.1~0.2 | 高效口罩、空气净化设备 | Liu et al. (2017) |
| 驻极体复合布 | ≥99% | 100~120 | 0.2~0.3 | N95口罩、专业防护服 | Chen et al. (2020) |
从表 3 可见，SMS 结构的非织造布复合材料在过滤效率方面较为基础，适用于一般医疗环境；而 SMMS 和 SMMMS 结构由于增加了熔喷层数量，过滤效率更高，适用于需要更强防护的场合，如手术室和隔离病房。相比之下，纳米纤维复合布和驻极体复合布的过滤效率可达 99% 以上，特别适合用于 N95 口罩和高风险防护装备。然而，这类材料的透气性相对较低，可能导致佩戴者在长时间使用时感到不适，因此在实际应用中需要结合其他优化措施，如改进材料结构或增加透气层，以平衡过滤性能与舒适性。
此外，不同材料的厚度也影响其防护性能和穿戴体验。较厚的 SMMMS 材料虽然提供了更高的过滤效率，但在高温环境下可能会导致闷热感，而纳米纤维复合布虽然轻薄，但成本较高，限制了其大规模应用。因此，在选择非织造布复合材料时，应根据具体使用场景综合考虑各项性能指标，以确保既能满足防护需求，又能兼顾舒适性和经济性。
结论与未来发展方向
随着生物防护需求的不断提升，非织造布复合材料在防护服中的应用日益广泛。当前的研究和实践表明，材料的过滤效率受多种因素影响，包括纤维直径、孔隙率、材料厚度、静电效应以及测试条件等。通过优化这些参数，可以在不牺牲透气性和舒适性的前提下，提高防护性能。此外，现有的测试标准和方法已较为成熟，为材料性能评估提供了科学依据。然而，面对不断变化的防护需求和新型污染物的出现，未来的研究仍需在以下几个方向进一步深化。
首先，开发更高效的过滤材料仍是研究重点。纳米纤维复合材料和驻极体材料已在实验室阶段展现出优异的过滤性能，但其大规模生产和成本控制仍然是挑战。因此，未来应探索更具经济可行性的制备工艺，以推动高性能材料的实际应用。其次，智能防护材料的研发值得重视。例如，结合传感器技术的自适应过滤系统，可根据环境污染物浓度自动调节过滤效率，从而在保障安全的同时提高穿戴舒适性。此外，环保可持续性也是未来发展的重要方向。目前，许多非织造布材料仍依赖不可降解的聚丙烯（PP）等合成纤维，未来可探索生物基或可降解材料的应用，以减少废弃物对环境的影响。
与此同时，测试标准和评价体系也需要不断完善。随着新型防护材料的出现，现有测试方法可能无法完全反映其真实性能，因此需要建立更加精准和多元化的评估体系。例如，结合计算流体力学（CFD）模拟和实验测试，可以更全面地分析材料在复杂环境下的过滤行为。此外，针对不同应用场景制定细分标准，也有助于提升材料匹配度，提高防护效果。
总体而言，非织造布复合材料在生物防护服中的应用前景广阔，未来的发展方向将围绕材料创新、智能化升级、环保可持续性以及测试标准优化等方面展开。通过持续的技术进步和跨学科合作，有望进一步提升防护材料的综合性能，满足多样化防护需求。
参考文献
- 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 https://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.
