熔喷布到底是什么?


中国是一个口罩产业大国,生产了全球约50%的口罩。 在疫情发生之前,中国口罩最高日产为2000多万只。数据显示,2015-2019年中国大陆地区口罩产业产值增长率在10%以上。2019年,中国大陆地区口罩产量超过50亿只,产值高达102.35亿元。最快的口罩生产速度120-200只/秒。

熔喷布是什么?

剪开一个已经使用过的医用口罩,你会发现:口罩有三层,(内层)吸湿层、(中层)核心过滤层、和(外层)阻水层。

因为按照国家的生产规定,医用口罩至少包含3层无纺布(N95 级别口罩,结构上做了优化:(中层)核心过滤过滤层层数更多了,厚度更厚了)。

S层:聚丙烯专用树脂(中国石化)-无纺布厂-口罩厂
M层:高熔融指数的聚丙烯专用树脂(中国石化)-改性塑料厂(防疫期间,中国石化攻关生产熔喷布专用料)-熔喷无纺布厂-口罩厂

熔喷布,俗称口罩的“心脏”,是口罩中间的过滤层,能过滤细菌,阻止病菌传播。熔喷布是一种以高熔融指数的聚丙烯为材料,由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜,纤维直径范围 0.5~10 微米,其纤维直径大约有头发丝的三十分之一。

下图是拍摄的熔喷布结构照片:

(飞纳台式扫描电镜拍摄)

对比了 N95 口罩和医用外科口罩的截面图,扫描电镜图片可以清晰看出,外科口罩的熔喷布厚度为 156 微米,而 N95 级口罩的熔喷布层厚度为 521 微米,是外科口罩的 3 倍 。

医用外科口罩截面图, 飞纳台式扫描电镜拍摄

N95 口罩截面图, 飞纳台式扫描电镜拍摄

看到图片你们是不是会担忧,熔喷布空隙这么大,是怎么过滤环境中的病毒的呢?虽然新型冠状病毒尺寸很小,在 100 纳米(0.1微米)左右,但是病毒无法独立存在,其传播途径主要有分泌物和打喷嚏时的飞沫,飞沫的大小在 5 微米左右,这是其一,第二,熔喷布本质上是一种纤维过滤器,含有病毒的飞沫靠近熔喷布后,也会被静电吸附在表面,无法透过。

纤维过滤机理示意图

口罩的S层和M层尽管原料都是聚丙烯专用树脂,但熔喷布专用料与其他无纺布原料在生产工艺和性能上存在很大差异。

熔喷布专用料就是高熔融指数的聚丙烯。聚丙烯熔融指数越高,熔喷出的纤维就越细,制成的熔喷布过滤性也越好。

熔喷布专用料▲

熔喷布▲

熔喷布真的是'喷'出来的

口罩自动生产线

核心材料熔喷无纺布生产线

口罩生产的核心材料,中间层熔喷无纺布(对防止细菌、血液渗透起至关重要),目前处于严重缺货,短期内供应不上。

目前国内很多优秀的熔喷企业在加班加点,视频为国内著名的熔喷无纺布生产线(SSMMS)口罩核心材料,该产品在丝径、手感、强度、均匀度和熔喷纤维超细、均匀度、过滤性能、阻隔性能等各方面均表现不凡,可广泛用于医疗、护理、个人卫生、工业防护、环境保护等领域。

在口罩和熔喷无纺布生产过程中,最不可或缺的核心部件是熔喷非织造布模头。其工作原理为:

聚丙烯PP专用料经塑化后进入熔喷模头流道,经分配均匀后再进入喷丝板,高温高速高压热气流喷射出来形成了熔喷非织造布,也就是口罩中间层最关键的一层过滤材料。目前全球有能力制造并提供熔喷模头的企业屈指可数,精密度要求较高,供货周期较长,至少3-4个月以上。

熔喷布产业链


熔喷布是采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸,由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上,同时自身粘合而成为熔喷法非织造布。

从产业链来看,熔喷布主要以聚丙烯为主要原料,纤维直径可以达到1~5微米。由于熔喷布的原材料聚丙烯取自石油,因此石化企业在生产熔喷布上具有优势。熔喷布专用料就是高熔融指数的聚丙烯。聚丙烯熔融指数越高,熔喷出的纤维就越细,制成的熔喷布过滤性也越好。

第一 基础原料——聚丙烯

聚丙烯(Polypropylene,简称PP)是一种由丙烯通过加聚反应而生成的聚合物,无色、无臭、无毒,呈半透明的蜡状固体状,是生产口罩的主要材料。由于聚丙烯具备耐化学性、耐热性、电绝缘性、高机械强度等特点,除用于口罩生产外,其也在机械、汽车、电子电器、建筑、纺织、包装、农林渔业和食品工业等众多领域得到开发和应用。公开数据显示,1吨高熔指纤维料可生产约25万个病菌防护口罩。以此计算,目前每天用于生产病菌防护口罩的高熔指纤维约为80吨左右,一年的用量在2.8万吨。

聚丙烯(PP)可以说是我们每个人“身边的塑料”,广泛应用于包装、纤维、汽车、家电等,近几年在医疗领域也有较普遍的应用。

是否可以作为熔喷无纺布的原料,最主要取决于熔融指数。除了聚丙烯以外,高熔指的PA6,PE,PET等也是可以用来生产熔喷无纺布的。

但是,考虑到工艺、技术、产能、成本等各方面的因素,聚丙烯相对来说是最便宜且产量最大的。

在中国市场中,聚丙烯来源主要是油和煤。

由于国际原油波动较大,油制聚丙烯利润较低;而煤炭价格较为稳定,煤制聚丙烯成本浮动小、利润空间大。因此相比于油,煤的地位也很重要。

既然是和油、煤相关,那就是中国石油、中国石化、国家能源集团等中央企业的主场了。

我国聚丙烯产能主要分布在西北、华东、华北、华南和东北地区。西北地区煤炭资源丰富,国家能源集团等煤化工企业在宁夏、陕西、新疆、甘肃等省份均有产能。东南地区石油化工产业发达,中国石油、中国石化等在华东、华北、华南产能较多。

从总体、长期来看,我国的聚丙烯产能非常够。中国石化、中国石油和国家能源集团是目前国内聚丙烯最主要的生产企业。根据相关数据,2019年,中国聚丙烯产能2549万吨,产量为2096.3万吨,约占全球30%。其中,可用于口罩熔喷布生产的高熔指纤维产量占总量的4.2%,为88万吨。而一吨聚丙烯可生产一次性医用外科口罩90万到100万只,生产N95医用防护口罩则大约20万到25万只。总体产能远远大于口罩所需用量。

那么,为什么需要转产、扩产?

原因有很多:疫情暴发初期,市场快速缺货;多数口罩生产企业处于春节放假状态,难以快速恢复生产;口罩利润微薄,多数工厂只维持按订单排产的状态,囤积的原料较少;物流运输受限,口罩原材料供应受到较大限制……因此,在短期内,产能相对不足。

第二 把聚丙烯变成熔喷布

熔喷布以聚丙烯为主要原料,可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等领域。

顾名思义,熔喷布是“喷”出来的。采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸,由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上,同时自身粘合而成。

熔喷布为什么会短缺?

严格来说,口罩的原料是两种——无纺布和熔喷布。

合规的医用口罩,由三成组成,内外层都是无纺布,前者是普通无纺布,后者做了防水处理,隔绝液体。中间的经过驻极处理的熔喷布,可以过滤掉大部分病毒。

熔喷布的这一层是核心,被称作医用外科口罩和N95口罩的“心脏”。

无纺布的技术门槛低,工业用途多,供应并不是问题。中国是全球最大的无纺布生产国,据中国产业用纺织品行业协会统计:2018年的无纺布生产量约594万吨。

熔喷布的产量却很低。2018年全国产量只有5.35万吨,按照300天开工日算,日产量为180吨。不仅用于口罩,还用于环境保护材料、服装材料、电池隔膜材料、擦拭材料等。与口罩生产商相比,熔喷布生产企业并不多。

更加困难的是全国无纺布总产量60%、全球市场份额1/4——在湖北仙桃。

疫情袭来,在巨大的需求驱动下,不少口罩生产企业纷纷扩产,更有大量外行跨界,但是瓶颈之一就在于,原料熔喷布的短缺。熔喷布的生产线在疫情暴发前一直是与市场需求量匹配的,短时间内难以迅速扩大其生产量。

所以,聚丙烯的产量上来了,不代表熔喷布的产量也会“顺理成章”地上来。所谓熔喷布涨价,是供需关系、产量瓶颈带来的客观结果,是市场规律。提升熔喷布产量成了最重要的事。

与口罩生产线相比,熔喷布生产线的设备成本高、周期长,进口全套生产线从买进、安装、调试、技术人员培训大约最快3个月;如果国内自产生产线最快大约8个月。可能投资建成后,疫情过了,就成了投资失败。因此企业投资意愿不强。

第一步 要攻克“熔喷布专用料”的技术难题

这是从聚丙烯到熔喷布之间一个不可逾越的环节,也是我国熔喷布产量的主要制约因素。

从聚丙烯到熔喷料的加工过程(中国石化制图)

第二步 要尽快形成“熔喷布”产能

和聚丙烯一样,熔喷布的转产扩产也突出一个“多”字、一个“快”字。

做个简单的数学加和——仅中国石油、中国石化、国机集团三家企业,在目前规划内形成的熔喷布新增产能,就达到了年产1.52万吨,是2018年全国产量5.35万吨的30%。粗略计算,这样的产能,足够每天生产5000万只医用口罩。

第三步 准备好口罩机

原料配齐,终于进入生产环节。

首先明确一个概念:口罩机不是一台单独的机器,而是需要多台机器的配合完成各种不同的工序。

口罩的生产工艺也并不简单,包括原料叠合、卷边、缝合鼻夹、折叠结构、压边、裁断缝边、补边、热固定耳绳、杀菌消毒等多道工序。

尤其是最后的消毒标准流程,需要耗费7天到半个月之久,这也是为什么明明0.5秒可以造一只口罩,到真正上市买卖的时间大家都觉得很久。

口罩机为何急缺?难度在哪里?

第一,口罩机所需零部件供应链不顺畅。

一台口罩机涉及1000多个零部件、配料,大部分需要再加工。其中,最稀缺的是一个核心部件——超声波焊机。在最开始,上游零配件尚未全面复工,如何找到所需要的全部货源,是令口罩机生产企业最头疼的事,只能大面积撒网。因此,产能不足的矛盾还是比较突出,许多口罩机订单的交付出现了延期。

第二,生产技术和质量把控的难度。

口罩机迟迟无法交付,交付了也可能达不到生产标准。很多企业紧急转产口罩机,但毕竟是“外行”,需要花费更多的工时。技术不到位,也导致买回来才发现,部分口罩机的参数、性能不达标。

中央企业动手很早。最开始的任务是,利用一切既有条件把口罩生产出来,先解决燃眉之急。


▲医用类口罩生产流程

产业链中游熔喷布生产主要经过熔体准备-过滤-计量-熔体从喷丝孔挤出-熔体细流牵伸与冷却-成网等六道工序,其工艺过程如下所示:


▲资料来源:中商产业研究院整理


▲资料来源:中商产业研究院整理

空隙多、结构蓬松、抗褶皱能力好,这些具有独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积,从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等领域。

熔喷布下游应用范围:

(1)医疗卫生用布:手术衣、防护服、消毒包布、口罩、尿片、妇女卫生巾等;

(2)家庭装饰用布:贴墙布、台布、床单、床罩等;

(3)跟装用布:衬里、粘合衬、絮片、定型棉、各种合成革底布等;

(4)工业用布:过滤材料、绝缘材料、水泥包装袋、土工布、包覆布等;

(5)农业用布:作物保护布、育秧布、灌溉布、保温幕帘等;

(6)其它:太空棉、保温隔音材料、吸油毡、烟过滤嘴、袋包茶叶袋等。


口罩的分类和标准


口罩的分类

按形状分类口罩根据外形,分为平板式、折叠式和杯状三种。平板式口罩便于携带,但密合性差;折叠口罩方便携带;杯状呼吸空间大,但不方便携带。

按佩戴方式分类头戴式:适合佩戴时间长的车间工人使用,佩戴麻烦。戴式:佩戴方便,适合经常戴脱。颈戴式:用S钩、一些软质材料连接件,连接耳带转换成颈带式适合长时间佩戴,更便于戴安全帽或穿防护服等车间工人使用。

按使用材料分类纱布口罩:现在仍然有部分车间使用纱布类口罩,但其遵循的GB19084-2003标准要求较低,不符合GB2626-2019的标准,只能防护大颗粒粉尘。纺布口罩:随弃式防护口罩大部分为无纺布口罩,主要是以物理过滤辅以静电吸附的过滤方式为主。布料口罩:布料口罩只有保暖效果无过滤PM等极小颗粒的效果。纸口罩:适用于食品、美容等行业,具有透气度好、使用方便舒适等特点,所用纸遵循GB/T22927-2008标准。其他材料的口罩,如生物防护过滤新材料等。

按适用范围分类医用口罩:国内分为三类,医用普通口罩、医用外科口罩、医用防护口罩。 颗粒物防护口罩:工业用符合GB2626-2019标准,特种劳动防护用品安全标志 认证 (LA认证) ,2015年由强制认证改为自愿认证。如果用于防雾霾需要使用插片式,需符合GB/T32610-2016标准。民用符合G B/T32610-2016标准。保暖布口罩:保暖用口罩,适合冬天佩戴,只需要符合织物类的相关标准即可。其他特殊行业: 如化工等。

按防护等级不同国家、不同行业制定了不同的标准,按不同的颗粒过滤效率分为不同的防护等级,将在标准部分详细介绍。

其他呼吸防护口罩可以分为过滤式和隔绝式,过滤式又可分为送风过滤式和自吸过滤式,后者可以分为半口罩和全口罩; 隔绝式可分为供气式和携气式,两者又分别包括正压式和负压式。

口罩的技术标准

中国

不同类型的口罩遵循不同的标准,不同口罩适用范围各不相同。中国口罩的几个主要标准为GB2626-2019呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器、GB/T32610-2016日常防护型口罩技术规范、YY/T0969-2013一次性使用医用口罩、YY0469-2011医用外科口罩、GB19083-2010医用防护口罩技术要求,以下详细介绍各主要标准。

GB 2626-2019

该标准第一版为1981年发布(GB2626-1981),1992、2006、2019年分别进行过三次更新,2019版改为“呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器”,不带“用品”二字。其中GB2626-2019版于2019-12-31发布,2020-07-01实施,标准规定了自吸过滤式防颗粒物呼吸器的分类和标记、技术要求、检测方法和标识。该标准由国家安全生产监督管理局提出,全国个体防护装备标准化技术委员会(SAC/TC112)归口。相对于2006版,在遵循科学性、规范性、协调性、时效性等基本原则的基础上,根据科学进步和产品发展的趋势,在不降低防护能力的前提下调整呼吸阻力指标,完善检测方法,优化半口罩的下方视野,提高产品的舒适性。适用范围见图6。

该标准过滤元件按过滤性能分为两类(KN和KP),KN类只适用于过滤非油性颗粒物,包括KN90(≥90%),KN95(≥95%),KN100(≥99.97%)三个级别。KP类适用于过滤油性和非油性颗粒物的过滤元件,包括KP90(≥90%),KP95(≥95%),KP100(≥99.97%)三个级别。KN和KP后的数字,指过滤效率水平,数字越高过滤效果越好。KN口罩未对合成血液穿透、表面抗湿性进行测试,因此,这类口罩短时间使用可以阻挡病毒,但不能用于接触可能有喷溅患者或长时间接触患者。

GB/T 32610-2016

日常防护型口罩技术规范,为民用口罩标准,该标准由中国纺织工业联合会提出,全国纺织品标准化技术委员会(SAC/TC209)归口。适用范围见图6。

根据过滤效率分为:Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,对应的过滤效率:盐性介质分别为≥99%、≥95%、≥90%;油性介质分别为≥99%、≥95%、≥80%。口罩的防护效果由高到低分为A、B、C、D级,各级口罩适用的环境空气质量分别为严重污染、严重及以下污染、重度及以下污染、中度及以下污染。各级口罩在相对应的空气污染环境下应能降低吸入的颗粒物(PM)浓度至≤75μg/m(空气质量指数类别良及以上)。当口罩防护效果级别为A级,过滤效率应达到Ⅱ级及以上;当口罩防护效果级别为B、C、D级,过滤效率应达到Ⅲ级及以上。

YY/T 0969-2013

该标准为一次性使用医用口罩的行业标准,于2013-10-21发布,2014-10-01实施。普通医用口罩符合此标准,适用于医护人员一般防护,仅用于普通医疗环境佩戴使用(见图6)。普通级的医用口罩名称较多,医用护理、一次性医用都属于此类。名称上没有“防护”、“外科”字样的医用口罩,均是普通级别的医用口罩。该级别口罩的核心指标包括细菌过滤效率、通气阻力,不要求对血液具有阻隔作用,也无密合性要求,见图表3。

YY 0469-2011

医用外科口罩(YY0469-2011)为医用外科口罩的行业标准,于2011-12-31发布,2013-06-01号实施。医用外科口罩行业标准第一版(YY0469-2004)已被2011版所替代。适用于临床医务人员在有创操作等过程中佩戴的一次性口罩(见图6),是手术室等有体液、血液飞溅风险环境常用的医用口罩,外包装上必须明确标示为医用外科口罩。该类型口罩的核心指标包括细菌过滤效率、颗粒过滤效率、合成血液穿透阻力、通气阻力(见表3),没有像医用防护口罩标准那样对面部密合度提出严格要求,对细菌的过滤效率≥95%,对颗粒的过滤效率有限(≥30%)。

GB 19083-2010

GB19083-2010医用防护口罩技术要求于2010-09-02发布,2011-08-01实施,第一版为GB19083-2003,在全国抗击SARS的大形势下制定,2003年4月29日紧急发布并实施,在SARS前没有医用防护口罩。该标准适用于医疗工作环境下,过滤空气中的颗粒物,阻隔飞沫、血液、体液、分泌物等,包括各种传染性病毒等(见图6)。该类型口罩的核心指标包括颗粒过滤效率、合成血液穿透阻力、通气阻力、表面抗湿性、密合性良好、总适合因数(见表 3)。医用防护口罩与佩戴者面部具有良好的贴合性,依据非油性颗粒过滤效率,医用防护口罩分为1级(≥95%)、2级(≥99%)、3级(≥99.97%)。医用防护口罩规定口罩对非油性颗粒的过滤效率≥95%,符合N95或FFP2及以上等级。

我国医用口罩的防护能力由高至低依次是医用防护口罩、医用外科口罩、普通医用口罩。

中国口罩主要标准及适用范围

引用自《中国感染控制杂志》

美国

美国NIOSH标准对口罩的滤网材质和过滤效率进行了分级,该标准在全世界的认可度是高的。按口罩中间层的滤网材质分为三种:N、R、P系列,根据过滤效率每一种又可分为三个级别(见表4)。N用于可防护非油性悬浮微粒,通常非油性颗粒物指煤尘、水泥尘、酸雾、微生物等,说话或咳嗽产生的飞沫不是油性的。目前肆虐的雾霾污染中,悬浮颗粒也多是非油性的。油性颗粒物指油烟、油雾、沥青烟等,如炒菜产生的油烟是油性颗粒物。R、P用于可防护非油性及含油性悬浮微粒,相比于R系列,P系列使用的时间相对较长,具体使用时间根据不同制造商的标注。N95口罩就是N系列中过滤效率≥95%的一类口罩,并经佩戴者脸庞紧密度测试时,确保在密贴脸部边缘状况下,空气能透过口罩进出,符合此测试的才颁发N95认证号码。防“非典”特殊时期,WHO临时推荐医务人员使用美国NIOSH认证的N95口罩。N95口罩不等于医用防护口罩,医用防护口罩规定口罩的过滤效果要达到N95要求,且具有表面抗湿性和血液阻隔能力。

ASTMF2100标准是一个医用标准,该标准将口罩分为三个等级:低防护(Level1)、中防护(Level2)和高防护(Level3)。级别越高,防护性能越好。Level1和Level2口罩通常叫procedure mask;Level3口罩可在手术室内使用,也叫surgical mask。接触病毒的机会特别大时,应选择级别更高的防护。

ASTM认证需要口罩在细菌过滤效率、颗粒过滤效率、合成血液穿透阻力和压力差四个方面都达到相关标准,见表3。Level1能阻挡95%的细菌微粒,即使只达到低防护标准,就已经足够保护一般社区使用者;Level2与Level3(中至高防护标准)则需要口罩阻挡至少98%细菌和微粒,压力差方面则只需低于49.0Pa/cm,较低防护标准宽松一点,因为较难在达到更佳防护力的同时维持透气性。中、高防护标准主要的区别在于高防护(Level3)标准对于阻挡液体能力的要求更高。医用N95口罩需要既满足FDA Surgical Masks-Premarket Notification Submissions Guidance forIndustry and FDA Staff标准,同时也要满足NIOSH对于N95口罩的要求,对合成血液穿透和表面抗湿性等进行了测试,而FDA该标准基本上遵循ASTMF2100标准。

欧洲

欧盟对于口罩欧洲统一(Conformite Europeenne,CE)认证的标准包括BSEN140、BSEN14387、BSEN143、BSEN149、BSEN136,其中BSEN149使用多,为可防护微粒的过滤式半口罩,根据测试的粒子穿透率分为P1(FFP1),P2(FFP2),P3(FFP3)三个等级,FFP1低过滤效果≥80%,FFP2低过滤效果≥94%,FFP3低过滤效果≥97%。FFP2口罩与上文提到的医用防护口罩、KN95口罩、N95口罩过滤效率十分接近。

医疗口罩必须遵循BSEN14683标准(Medical face masks-Requirement sand test methods),可以分为三个等级:低标准TypeⅠ、然后是TypeⅡ和TypeⅡR。见表3。上一个版本是BSEN14683∶2014,已被新版BSEN14683∶2019所取代。2019年版主要的变化之一是压力差,TypeⅠ、TypeⅡ、TypeⅡR压力差分别由2014年版的29.4、29.4、49.0Pa/cm,上升至40、40、60Pa/cm。

澳洲

AS/NZS1716∶2012是澳大利亚和新西兰的呼吸保护装置标准,该标准规定了防颗粒口罩制造过程中必须使用的程序和材料,以及确定的测试和性能结果,以确保其使用安全。

该标准分为三类,P1:低过滤效果≥80%;P2:低过滤效果≥94%;P3:低过滤效果≥99% 。澳洲的医用口罩标准为AS4381∶2015 ,依据核心指标分为Level1、Level2、Level3,见图表3。

▲图表3:中国、美国、欧洲、澳洲医用口罩核心指标

引用自《中国感染控制杂志》

▲图表4:美国NIOSH标准对颗粒物防护口罩的分类

引用自《中国感染控制杂志》

日本

日本JIS T8151∶2018标准是呼吸保护装置的标准,也是日本厚生劳动省 (MHLW) 验证标准,常见的随弃型盐性颗粒过滤规格如下,

DS1:低过滤效果≥80%;DS2:低过滤效果≥99%;DS3:低过滤效果≥99.9%。口罩的等级见图 7。

▲图表4:日本口罩等级分类

引用自《中国感染控制杂志》

韩国

韩国的口罩标准KF (Korean filter) 系列,KF系列标准是由韩国的食品药品管理部门 (Ministry of Food and Drug Safety,MFDS) 发布的韩国主流口罩标准 (Regulations on the Approval,Notification,and Evaluation of Quasi-Drugs) 。

KF系列分为KF80、KF94、KF99。

KF80:≥80% (仅盐性介质) ;KF94:≥94%(油性和盐性介质) ;KF99:≥99% (油性和盐性介质) 。

 

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