可洗涤医用防护服面料的制备与性能研究_汪泽幸.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology可洗涤医用防护服面料的制备与性能研究汪泽幸1 黄璐璐1 刘安全1 李文辉2 吴璠3（1.湖南工程学院，湖南湘潭，411104；2.湖南永霏特种防护用品有限公司，湖南湘潭，411101；3.深圳市微纳先材科技有限公司，广东深圳，518035）摘要：为提高医用防护服面料的耐洗涤性和穿着舒适性，开发了可洗涤医用防护服面料，对其防护性能进行研究。以机织物为内外层，以静电纺丝制备的聚酰亚胺纳米纤维膜为核心阻隔层，采用点式离线复合工艺，制备了 4种医用防护服面料，对其洗涤前后的外观、防护性能、舒适性和力学性能进行了测试和分析。结果表明：以涤棉混纺机织物为外层面料而制备的防护服面料，经 20次洗涤后依然具备良好的防护性能、穿着舒适性能和力学性能，可满足医用防护服面料耐洗涤性的要求。关键词：医用防护服；聚酰亚胺；纳米纤维膜；过滤效率；液体防护性能；舒适性中图分类号：TS106.6 文献标志码：B 文章编号：1000-7415（2023）06-0007-05Preparation and performance investigation on washable fabric of protective clothing for medical useWANG Zexing1 HUANG Lulu1 LIU Anquan1 LI Wenhui2 WU Fan3（1.Hunan Institute of Engineering，Xiangtan，411104，China；2.Hunan Yourfield Special Protective Equipment Co.，Ltd.，Xiangtan，411101，China；3.Shenzhen Orwinner Technology Co.，Ltd.，Shenzhen，518035，China）Abstract In order to improve wear comfortability and durability of protective clothing for medical use，the washable fabric of protective clothing for medical use was developed.Its protective performance was studied.Four kinds of fabrics for medical protective clothing were prepared by point-type offline composite processing technology with polyimide nanofiber membrane via electrospinning as core barrier layer and woven fabrics as inner and outer layers.The fabric appearance，protective properties，comfortability and mechanical properties before and after washing were tested and analyzed.Results showed that the protective fabrics prepared with polyester/cotton blended woven fabric as outer layer had excellent protective performance，wear conformability and mechanical properties after 20 times washes.It could meet the wash resistant of protective clothing for medical use.Key Words protective clothing for medical use，polyimide，nanofiber membrane，filtering efficiency，liquid barrier performance，comfortability医用一次性防护服具有阻隔防护效果好、质量轻等显著优点，但是存在力学性能差、热湿舒适性不足等缺陷，同时带来的资源浪费、医疗垃圾处理难度及引起的环境问题亦备受关注12。目前，可重复使用医用防护服面料多以机织物或经编织物为内外层，以聚氨酯（Polyurethane，PU）高透膜、热塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethanes，TPU）薄膜、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）微孔膜或 PTFE 复合膜为核心阻隔层，采用湿气固化反应型聚氨酯（Polyurethane Reactive，PUR）为黏合剂，通过离线复合方式制备而成36，虽然其对病原性微生物和病毒具有良好的阻隔性，但透湿性较差，且无法兼顾透气性，穿着舒适性较差7。静电纺丝制备的纳米纤维膜具有孔径小、空隙率高、比表面积大、具有大量且连续的内部孔道结构等特性，兼具优良的阻隔性能、透湿性能和透气性能810，但其力学性能相对较差，且接触舒适性不佳。为在确保防护性能的同时，兼顾耐用性能，本研究以静电纺丝制备的聚酰亚胺（Polyimide，PI）纳米纤维膜为核心阻隔层，机织物为内外层，复合制备了“三明治”结构形式的可重复使用医用防护服面料；考虑到耐洗涤性是可重复使基金项目：湖南省自然科学基金项目（2021JJ50109）；湖南省企业科技特派员计划项目（2021GK5043）；湘潭市科技重点研发计划项目（SF-ZD20211002）；湖南工程学院大学生创新创业训练计划项目（2022-47）作者简介：汪泽幸（1982），男，教授，收稿日期：2023-01-13】【7第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology用医用防护服面料的关键要求之一11，因此对面料洗涤前后的防护性能、舒适性能以及力学性能进行了测试和分析。1 试样制备与性能测试1.1试样制备制备的试样规格见表 1。其中，内层材质均为 132 dtex涤纶长丝；PI纳米纤维膜为阻隔层，实测厚度为 27.78 m，单位面积质量为 4.25 g/m2。以改性 PUR 为黏合剂，委托某公司采用离线双面点式复合工艺制备，单面上胶量均约为 20 g/m2。3#试样与 4#试样的外层面料在复合前进行“三拒一防”整理，即：拒水、拒血液、拒酒精及防静电后整理。1.2性能测试依据 GB/T 86292017 纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序 中 4N 程序，加入标准洗涤剂对试样进行洗涤、悬挂晾干，对不同洗涤次数的试样外观、层间剥离强度、对非油性颗粒物的过滤效率、防沾水性能、耐静水压性能、耐合成血液穿透性能、透湿与透气性能、拉伸断裂强度、撕破强力、抗穿刺性能等进行测试和分析。采用 YG（B）026G250 型电子织物强力机，依据 FZ/T 600112016 复合织物剥离强力试验方法 对试样洗涤前后的剥离强度进行测试，试样有效宽度 50 mm，有效夹持长度 50 mm，加载速度100 mm/min，记录最大剥离强力，取 3 次测试结果的平均值为评价指标。采用 TSI8130 型自动滤料测试仪，依据 GB 19082 2009 医用一次性防护服技术要求 中5.7 相关测试方法，就试样对非油性颗粒物的过滤效率进行测定。测试过程中，设定空气流量15 L/min，气流通过截面积 100 cm2，取试样 3 个不同部位的过滤效率平均值为评价指标。参考 GB/T 47452012 纺织品 防水性能的检测和评价 沾水法，对试样外侧表面 3个不同部位的表面抗湿性能进行评价，并取平均值为评价指标。采用 YG（B）812 Q20 型纺织品耐静水压测试仪，参考 GB/T 47442013 纺织品 防水性能的检测和评价 静水压法 对试样的耐静水压性能进行测试。测试时，水温保持在（202），设定水压上升速率 6.0 kPa/min，测试面积 100 cm2，取试样 5个不同部位的平均值为评价指标。采用 LFY228 型医用防护服合成血液穿透测试仪，参考 YY/T 07002008 血液和体液防护装备 防护服材料抗血液和体液穿透性能测试 合成血试验方法，评估试样对血液和体液穿透的抵抗能力，取试样 3 个不同部位的平均值为评价指标。采用 YG（B）216II 型织物透湿量仪，参考GB/T 12704.12009 纺织品 织物透湿性试验方法 第 1部分：吸湿法 对试样的透湿性能进行测试，取 3次测试结果的平均值为评价指标。采用 YG（B）461T 型全自动织物透气性能测试仪，参考 GB/T 54531997 纺织品 织物透气性的测定，对面料的透气性能进行测定，测试面积 20 cm2，压降设定 100 Pa，取试样 10 个不同部位测试结果的平均值为评价指标。采用 GB（B）026G250型电子织物强力机，参考 GB/T 3923.12013 纺织品 织物拉伸性能 第 1 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）对试样的拉伸断裂强度进行测定，经纬向试样 的 有 效 尺 寸 300 mm50 mm，夹 持 长 度200 mm，设定拉伸速度 100 mm/min，取 5 个有效试样测试结果的平均值为评价指标。采用 YG（B）026G250 型电子织物强力机，参考 GB/T 3917.32009 纺织品 织物撕破性能 第 3 部分：梯形试样撕破强力的测定，测定试样的撕破强力，设定拉伸速度 100 mm/min，取 5表 1内外层面料及成品面料规格参数试样编号1#2#3#4#单位面积质量/（g m2）131219144261外层材质涤纶+防静电丝涤纶+防静电丝涤纶+防静电丝涤/棉 65/35外层经密/根 （10 cm）1490592478574外层纬密/根 （10 cm）1340346324344外层纱线密度/tex 11.1 11.1 8.329.537.0内层经密/根 （10 cm）1500500470470内层纬密/根 （10 cm）1450450420420】【8第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology次有效测试结果的平均值为评价指标。采用 YG（B）026G250 型电子织物强力机，参考 GB/T 206552006 防护服装 机械性能 抗刺穿性的测定 对试样的抗穿刺性能进行测定，设定穿刺速度 100 mm/min，取 4个试样的最大穿刺力平均值为评价指标。2 试验结果与分析2.1洗后外观与层间剥离性能试验发现，1#试样与 2#试样经 5 次、10 次洗涤后，外观无明显变化；20次洗涤后，1#试样表面出现零星小气泡，2#试样表面出现轻微的起皱现象。3#试样经 10次洗涤后，表面出现多且分布较为密集的起泡现象，20次洗涤后起泡进一步变大且趋于连续，并出现明显的层间分离现象。4#试样经 20次洗涤后外观无明显变化。4种试样洗涤前后的层间剥离强力测试结果见表 2。从表 2 中可以看出，随着洗涤次数的增加，4种试样的层间剥离强力随之下降；其中，3#试样层间剥离强力衰减较为显著，而4#试样层间剥离强力较为稳定。这主要是由于 1#试样3#试样外层面料均由长丝织造而成，纱线表面光滑，且经密和纬密较高，在复合过程中，PUR 热熔胶难以进入长丝的内部和长丝之间的间隙，与 PI纳米纤维膜之间难以形成牢固的黏结点；在多次洗涤过程中，黏结点易被破坏，面料表面易产生起泡现象；对于 3#试样，除因外层面料中纤维光滑、纱线排列紧密因素以外，其还经“三拒一防”整理，导致 PUR 热熔胶与纤维之间的结合力进一步降低，所形成的弱黏结点更易在洗涤过程中被破坏，宏观表现为洗涤后更易出现起泡现象。对于 4#试样，外层为涤棉混纺面料，其表面存在较多的纤维头端，且纱线的线密度较高，纱线间隙大，PUR 热熔胶更易与面料之间形成良好的“机械锚定”作用，层间结合力较高，因此经 20 次洗涤后，PI纳米纤维膜与外层面料之间的黏结性能依然良好，洗后试样表面平整、无起泡现象，宏观表现为具有优良的耐洗涤性能。2.2防护性能2.2.1过滤效率携带病毒的飞沫可能在空气中形成气溶胶并被人体吸入12。为评估试样对气溶胶的阻隔能力，对 4 种试样洗涤前后对非油性颗粒物过滤效率进行测试，结果见表 3。从表 3 中可以看出，经20 次洗涤后，4 种试样对非油性颗粒物的过滤效率均高于 80%，满足 GB 190822009 医用一次性防护服技术要求 中不低于 70%的要求。在复合过程中，为确保膜面平整，需对其施加一定的张力。但因膜面张力控制差异，导致 PI纳米纤维膜微观结构变形不一致，宏观表现为不同试样对非油性颗粒物的过滤效率存在差异。2.2.2液体防护性能医用防护服面料最重要的功能为防止水、可能携带病原体血液或体液的渗透，因此对于可重复使用医用防护服面料亦要求其洗涤前后均具有良好的液体防护性能。参考 GB 190822009，本研究以表面抗湿性能、耐静水压和抗合成血液穿透性能，表征试样的液体防护性能。4 种试样洗涤前后的相关测试指标见表 4至表 6。表 2试样洗涤前后剥离强力 单位：N项目1#经向1#纬向2#经向2#纬向3#经向3#纬向4#经向4#纬向洗涤前21.319.624.623.118.416.726.725.2洗涤后5次20.419.123.722.416.214.326.224.710次18.617.322.821.713.611.225.424.120次14.312.720.919.65.24.724.923.6表 3试样洗涤前后对非油性颗粒物过滤效率单位：%试样编号1#2#3#4#洗涤前86.3898.6789.4293.08洗涤后5次85.7198.2488.7392.8410次83.3997.9689.3491.9120次82.3197.7590.0491.53表 4试样洗涤前后的表面抗湿性能 单位：级试样编号1#2#3#4#洗涤前44-54-54-5洗涤后5次44-54-54-510次4444-520次3-443-44-5】【9第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology从表 4中可以发现，4种试样洗涤前后的表面抗湿性能均超过 3级，满足 GB 190822009要求医用防护服面料外侧表面沾水等级不低于 3级的要求。其中，4#试样外侧表面抗湿性能最佳，洗涤前后沾水等级均达到 4-5 级，表面抗湿性能优异。表 5 与表 6 表明，洗涤后，4 种试样的耐静水压和耐合成血液穿透性能均呈现下降趋势。GB 190822009 要求医用防护服其关键部位面料的耐静水压不低于 1.67 kPa，面料耐合成血液穿透性能不低于 2级。1#试样洗涤前后的耐静水压和耐合成血液穿透性能均低于 GB 190822009 要求，不能满足医用防护服面料的性能要求。究其原因，主要是由于外层面料纱线排列相对稀疏，间隙较大，且未经“三拒一防”整理。2#试样外层经密和纬密较高，织物结构较为紧密，洗涤前的耐静水压和耐合成血液穿透性能可以满足 GB 190822009 的要求，但历经 10 次洗涤后其耐静水压和耐合成血压穿透性能急剧下降，不能满足 GB 190822009 的要求，耐洗涤性能也变差。分析其原因，主要是由于反复洗涤过程中，内外层面料纱线间隙增加，同时外层面料也未经“三拒一防”整理。而对于 3#试样和 4#试样，虽然反复洗涤过程中，因纱线间隙不断增加以及外层面料中纤维表层所施加的“三抗一防”助剂亦逐渐脱落，导致耐静水压和耐合成血液穿透性能下降，但洗涤前后依然具有较好的耐静水压和耐合成血压穿透性能，高于 GB 190822009 的要求，具有较好的耐洗涤性能。2.3舒适性能以疫情防控期间为代表的医护作业环境为代表，医护人员的工作多属于中、重度劳动，且作业环境温度高，发热量高、出汗量大，为确保产生的水汽能及时排出，确保穿着舒适性，对防护面料的透湿性能提出了要求。4种试样洗涤前后的透湿性能测试结果见表 7。从表 7中可以看出，洗涤前后 4种试样的透湿性能均较为稳定，且均超过 5 000 g/（m224 h），远高于 GB 190822009中不低于 2 500 g/（m2 24 h）的要求。面料的透气性良好，则可快速散失热量，有利于服装与人体之间微气候温度的下降，减少出汗量，避免人体的闷热感，因此透气性直接影响防护服的热湿舒适性。4种试样洗涤前后的透气率测试结果见表 8。从表 8中可以看出，所制备的 4种试样均具有一定的透气性能，其中 4#试样洗涤前后的透气性能最佳，2#试样最差。2.4力学性能反复洗涤、消毒和使用过程中，为避免外力导致医用防护服产生破裂等现象，减弱防护性能，增加医护人员被感染几率，要求医用防护服面料还需具有良好的力学性能。4种试样洗涤前后的拉伸断裂强力、撕破强力以及抗穿刺力测试结果见表 9至表 11。从表 9 至表 11 中可以看出，洗涤对 4 种试样表 5试样洗涤前后的耐静水压 单位：kPa试样编号1#2#3#4#洗涤前1.314.115.915.3洗涤后5次1.12.14.17.210次0.81.83.25.520次0.60.52.33.1表 6试样洗涤前后的抗合成血液穿透性分级 单位：级试样编号1#2#3#4#洗涤前2555洗涤后5次124410次113320次0133表 7试样洗涤前后的透湿量 单位：g/（m224 h）试样编号1#2#3#4#洗涤前8 7085 9767 6288 753洗涤后5次8 7935 8497 5348 71710次8 8645 6277 4298 65620次8 9165 4647 3348 602表 8试样洗涤前后的透气率 单位：mm/s试样编号1#2#3#4#洗涤前14.145.7922.7624.56洗涤后5次14.065.2123.1424.1710次13.844.3623.7723.8720次12.153.3524.0323.74】【10第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology的力学性能影响较小。4 种试样洗涤前后，经向和纬向的拉伸断裂强力远高于 GB 190822009的要求（不低于 45 N）。4 种试样洗涤前后，经向和纬向的撕破强力均高于 50 N，其中 4#试样洗涤前后的撕破强力均高于 80 N，满足可重复使用的要 求。4 种 试 样 洗 涤 前 后 的 抗 穿 刺 性 均 高 于35 N，其中试样 4#洗涤前后的抗穿刺性均高于54 N，满足可重复使用的要求。3 结语本研究以静电纺丝制备的 PI 纳米纤维膜为核心阻隔膜，采用离线复合工艺制备了可重复使用防护服面料，并对其洗涤前后的外观、防护性能和力学性能进行了较为全面的测试和分析。试验结果表明，以经“三拒一防”整理的涤棉混纺防静电机织物为外层，以涤纶长丝机织物为内层，以静电纺丝制备的 PI纳米纤维膜为核心阻隔层，采用点式离线复合制备的复合面料，其洗涤前后具有良好的防护性能、舒适性能和力学性能，可满足医用防护服面料耐洗涤性的要求。本研究重点考虑复合面料的耐洗涤性能，后续还需对耐消毒性能进行测试和分析。参考文献：1沈嘉俊，许晓芸，刘颖，等.医用防护服的研究进展J.棉纺织技术，2020，48（7）：79-84.2王静，戴宏钦，王丽丽.医用防护服热舒适性能的评价 J.现代丝绸科学与技术，2016，31（3）：92-94.3王欢，潘虹，夏燕茂，等.聚酰亚胺纤维可重复医用防护面料的制备与性能测试 J.高科技纤维与应用，2022，47（2）：74-78.4李瑞欣，张西正，郭勇，等.高透湿性生物防护服的研制 J.中国个体防护装备，2007（2）：9-12.5姚登辉，许增慧，吕水君，等.复用医用手术服面料的工艺研究 J.纺织科学研究，2019（6）：92-95.6郝新敏，张建春，周国泰，等.可重复使用透湿型SARS 防护服材料的研究 J.西安工程科技学院学报，2003（3）：206-211.7孟硕，汪泽幸，李文辉，等.可重复使用医用防护服面料的研发现状及趋势 J.棉纺织技术，2022，50（2）：4-9.8李洋.静电纺纤维基防水透湿膜的结构设计及其在防护服装领域的应用研究D.上海：东华大学，2018.9WU J，WANG N，WANG L，et al.Unidirectional water-penetration composite fibrous film via electro-spinning J.Soft matter，2012，8（22）：5996-5999.10 WU H，ZHANG P R，SUN Y，et al.Biomimetic nanofiber patterns with controlled wettability J.Soft Matter，2008，4（12）：2429-2433.11 袁建强，任炳，刘艳梅，等.可重复使用医用防护服面 料 的 研 究 与 开 发J.染 整 技 术，2021，43（4）：50-51.12 倪晓平，邢玉斌，索继江，等.医疗机构中微生物气溶胶的特性与作用 J.中华医院感染学杂志，2020，30（8）：1183-1190.表 9试样洗涤前后的拉伸断裂强力 单位：N项目1#经向1#纬向2#经向2#纬向3#经向3#纬向4#经向4#纬向洗涤前9225361 5838508445491 056463洗涤后5次9425521 5918638415371 06947610次9615731 5968768385321 12748220次9785891 6058858345291 190497表 10试样洗涤前后的撕破强力 单位：N项目1#经向1#纬向2#经向2#纬向3#经向3#纬向4#经向4#纬向洗涤前6153102501147411380洗涤后5次725910852107721168210次806411453103691268720次8969117561016612888表 11试样洗涤前后的抗穿刺性 单位：N试样编号1#2#3#4#洗涤前38534954洗涤后5次4454465510次4954425820次51564060】【11