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你只知道口罩原料是不織布卻分不出差別? 5種不織布種類和11種口罩原料一次告訴你!

猶記得疫情初期,口罩原料不織布短缺造成民眾陷入搶購醫用口罩風潮,大家也才開始留意這薄薄一片口罩的功效與重要性;同時,供不應求的結果,也造成市面上出現很多打著醫療口罩名號,事實上卻沒有符合應有防疫效果的黑心商品! 以下我們將先介紹各種類型的不織布,再帶大家深入貼近剖析每天我們臉上所戴的這片防疫必需品!

不織布是醫療口罩最主要的原料,也是影響病毒過濾功效的關鍵,市面上有很多打著醫療口罩名號,事實上卻沒有符合應有防疫效果的黑心商品! 挑選醫用口罩時須特別注意!

 

前一篇介紹分辨衣物織法時已認識了梭織(平織)布以及針織布,此篇的主角不織布,顧名思義即為”經由傳統平織或針織等造過程所製成的,又稱為無紡布。也就是說,它是從化學纖維原料經由化學或物理等方式直接結合成的布。

不織布/無紡布只是此種非織造布的廣泛總稱,事實上依照原料、製程、成型技術的不同,有非常多樣且應用廣泛的不織布種類可供選擇,以下依照製造方式的不同,挑出比較常見的5種不織布介紹給大家參考:

 

常見不織布種類

1. 紡黏不織布 (Spunbond Nonwoven):

為利用高分子成網技術,經由擠壓可熔融之聚合物粒子,拉伸成連續長絲後鋪設成網,再經加固技術結合成的布;纖維直徑約在10-20微米(μm)之間。一般以聚丙烯PP (polypropylene)纖維為主要常見的原料,其原先便已具有疏水性,故常用於口罩防潑水外層。雖然聚丙烯PP具有抑菌性,但仍可依需求加工處理以增強加抗菌效果。

2. 熔噴不織布 (Melt-blown Nonwoven):

同樣為利用高分子成網技術,但與紡黏不織布所使用的擠壓製程不同,而是改以熱風去分散可熔融之聚合物粒子後噴出,產生極細纖維後落至收集網上成布。其纖維直徑比紡黏不織布細,大約為2-5微米(μm);主要常見的原料也是PP,由於熔噴不織布為高密度不織布,常用於口罩中間過濾層及其他過濾材料。

3. 水針不織布/水刺不織布 (Spunlace Nonwoven):

為使用高壓極細水柱(40-120kg/cm2;0.1mm)噴射至已經由梳棉處理(Carding)的纖維混合網上,利用水的反彈作用使其纏繞結合成的布。水針不織布/水刺不織布可以使用100%純天然纖維製作,並且不使用化學黏合劑,生產出來的產品最為環保及對肌膚最佳,但成本也較使用混棉(混和天然纖維及聚酯纖維)或是100%聚酯纖維高;因水針不織布/水刺不織布較為細緻舒適的特性,為市面上常見的面膜原料用布。亦可用於生產醫療產品,如藥膏布、退熱貼、酒精棉片、洗臉巾等,或是做為運動用品或工業用材的基材。

4. 熱壓/熱風不織布 (Heat-bonded Nonwoven):

為於初期便先在纖維原料中混入熱熔纖維,於加固步驟時再經由熱風使纖維融合成布。材質多為PE/PP或是PE/PET混合。熱風不織布有柔軟蓬鬆的特性,親水性佳,表面平整不起毛。多用於製造紙尿褲、衛生棉、看護墊或是清潔用品。由於親水不起毛的特性,疫情期間亦被廣泛用於口罩內層。

5. 木漿氣流成網不織布 (Pulp Air-Laid Nonwoven):

又稱無塵紙乾法造紙不織布,因名稱”無塵”關係常被誤會為紙張類,實則為不織布。原料為木漿纖維,先以氣流成網技術使纖維達到寬鬆的單纖維狀態並形成網,再噴上水溶性黏合劑去烘熱加固成布。常用於各種半導體、精密產品生產線。

 

口罩製造商

<醫用口罩製程>

 

了解完不織布常見的種類及生產方式後,我們對於臉上這一片三層皆使用不織布的口罩,便可更進一步來分析其成份及功效:

醫用口罩介紹

一般最常見的醫用口罩結構分為三層,依照介紹過的種類可分為:

 

1. 口罩外層:

為口罩最外側、第一層的防護,多使用撥水性的紡黏不織布,常見材質為聚丙烯PP (polypropylene),故外層常被簡稱為PPSB (=PP Spunbond);可阻隔飛沫、粉塵(外科口罩等級的PPSB甚至可防血液飛濺),使用克重約25-30gsm (=g/m2,為每平方米的公克重量)。

值得一提的是,若需使用熱轉印/熱昇華等技術印製客製化口罩外層,因熱轉印的印製溫度一般約攝氏150度、熱昇華約攝氏200度,故印製前需確認所用的布料熔點是否超過燙印的溫度;譬如使用熱昇華技術印製時,口罩不織布的材質便不可使用PP,因其熔點只有約攝氏167度,小於熱昇華的燙印溫度(攝氏200度)。建議可改採用: PET (polyethylene terephthalate)紡黏不織布,其熔點達攝氏265度,可承受印製過程的高溫而不熔解。

 

除了PET紡黏不織布,也可使用PET水針/水刺不織布,兩者差別在於不織布的製程,不同製程製出的不織布效果也不同;雖然同樣以100% PET為材質,但經由兩種製程方式做出的不織布,用在印製口罩外層時,效果差距相當大:

(1) 100% PET紡黏不織布: 布料優點為透氣及本身帶有防潑水特性,一般建議使用30-40gsm的PET水針布為佳。缺點為堅挺易脆、布料表面的疏密不均,故在作為客製化口罩外層印製的承接布料時,若設計圖稿含有較多細緻的線條或印製顏色較深時,印製出來的效果恐會不如預期。

(2) 100% PET水針(水刺)不織布: 布料優點為細緻柔軟,在印製較深色的設計圖樣時,吃色較為飽和,可以達到更接近原設計圖的圖樣效果。一般建議使用40-45gsm的PET水針布為佳。缺點為厚重易皺、夏天配戴起來的舒適度不如PET紡黏不織布,且需要再多加一層防水處理以達到一般醫用口罩外層的防水效果。

 

2. 口罩過濾層:

為口罩主要過濾層,故需使用高密度的熔噴不織布,常見材質為Polypropylene ( PP Melt-blown,一般習慣簡稱為MB);在熔噴製程中加入”靜電駐極技術”處理,便可使熔噴不織布產生靜電,成為高密度兼具靜電吸附功能的口罩中間層,可過濾細菌顆粒與污染物,使用克重大多也為25-30gsm。

熔噴布的儲存條件會影響靜電效果,建議存放於攝氏20度的倉儲環境,避開高溫及高濕度的環境;而隨著庫存時間越久,其靜電效果不可避免地便會越趨衰退,製成口罩後可達到的過濾效果也會被跟著減弱,導致該口罩無法通過一般醫療口罩應達到的細菌過濾效率95%以上 (BFE≧95%),這是每個採購熔噴布的口罩製造商都不樂見的;隨著近年疫情持續蔓延,品質穩定、靜電性能長久、低壓差的聚丙烯熔噴布便成了口罩製造商的尋覓標的;此需求便催生了各熔噴布供應商在靜電駐極工藝上的持續精進。

 

關於靜電駐極技術,不同的工藝特性會影響不織布的過濾性及靜電耐久性:

(1) 電暈充電駐極法: 又稱低溫等離子體放電法,一般傳統的熔噴布多採用此種工藝製成,其技術為藉由加熱聚丙烯後產生電暈使不織布帶電,屬於熱駐極熔噴布,因所需設備簡單且易操作而被廣泛使用,但缺點為此種充電電荷僅能存於表面,靜電較不穩定易流失,須注意保存環境並留意熔噴布靜電衰退的情形。

(2) 靜電紡絲法: 將聚丙烯溶液藉助高壓電場帶電後,用噴絲方式射出並於過程中固化形成纖維布。此種方式的產量較低,且強度不夠,產生的布料不足以達到熔噴布的標準,需要再持續精進技術。

(3) 摩擦起電法: 起電方式相對簡單,靜電屬暫時性、易流失,且布料本身纖維的條件易影響靜電性能,一般多用在紡織纖維的基礎梳理程序上,不適合用來製作口罩過濾層。

(4) 低能電子繞射法: 使用低能電子束(low-energy electrons)轟擊不織布的電介質,電介質得到並保存靜電使不織布帶電。此方法需較高的技術控制電子束的電流密度及轟擊時間,操作過程複雜,尚未成為一套易施作的工藝技術。

(5) 純水噴射駐極法: 現今最脫穎而出的當屬使用純水噴射法所製成的水駐極熔噴布了,其熔噴布經過冷水冷卻後,使用高壓水泵用純水對熔噴布進行噴射,使水與布摩擦後產生靜電,將靜電經傳導材料留駐於布料之中後,再通過熱風烘乾鎖電。經過此兩段高濕高溫的過程後,可保證表面的虛電已全數被消除,留下來的唯有真正存於布中駐極體的電,此種整體均勻帶電的效果可使過濾率更佳且保質期近乎永久,一般基本可達10年,非常適合用於國家防疫戰備庫存的口罩。

 

現在有越來越多廠商投入高階濾材市場,像是HEPA (High-Efficiency Particulate Air) 空氣淨化等級的熔噴不織布、或是直接以奈米纖維膜取代熔噴布,此類濾層的過濾效果雖然好,但生產的成本也相當地高,造成口罩單價升高,是否可被廣泛使用於一般日拋醫用口罩,就依靠市場機制來決定了;提供合乎醫用口罩規範的熔噴不織布,仍將是每種技術不變的根本。

 

3. 口罩內層:

為口罩貼近臉部的最內層,因其會長時間與肌膚接觸,故以不會起毛、表面較為光滑的材質為佳;部分口罩廠商因成本考量,會採用與外層相同的PPSB材質再做親水處理,但此種PPSB容易因長時間摩擦後起毛而使臉部感到不適,親水劑亦容易使皮膚過敏,故現在市面上多使用以ES複合纖維 (Ethylene-Propylene Side By Side)材質製成的紡黏不織布做為口罩內層。其依照成份又可細分為兩種:

(1) 聚乙烯PE (Polyethylene)+聚丙烯PP (polypropylene),簡稱EP

(2) 聚乙烯PE (Polyethylene)+聚酯纖維PET (Polyester),簡稱ET

因ET的硬挺度較高但配戴舒適感比不上EP,故台灣市場的口罩多採用親水EP,可吸收配戴口罩時說話產生的口沫水氣、或是臉部汗水油脂,且較為柔軟舒適。使用克重大多落於20gsm上下。

 

另外,在選購口罩成品時,應注意包裝上是否有標示BFE、PFE、甚至是VFE的字樣,這些標示代表的都是該片口罩經過實驗室測試後,所得到的口罩過濾效率,數值越高代表過濾能力越好。

 

此三種過濾率分別為:

(1) BFE (Bacterial Filtration Efficiency): 細菌過濾率,過濾微生物微粒的能力。

(2) PFE (Particle Filtration Efficiency): 粒子過濾率,過濾微顆粒的能力。

(3) VFE (Virus Filtration Efficiency): 病毒過濾率,過濾病毒顆粒的能力。

各國皆有設立醫用口罩等級的標準法規;台灣實施的國家標準為CNS14774(T5017)-醫用面(口)罩,一般醫用口罩最低標準需達到BFE≧95%以及壓差(呼吸阻抗)≦ 5 (mm H2O/cm2);美國則是使用該國材料和試驗協會標準ASTM-F2100,將醫用口罩分3個級別(Level 1 至3),Level1需達到BFE & PFE95%以及壓差(呼吸阻抗)< 5 (mm H2O/cm2)。

 

而醫療用口罩除了上述日常民眾所戴的一般醫用口罩外,還有醫療人員所配戴的外科手術口罩,皆須符合國家標準: CNS 14774 (T5017)-醫用面(口) 或其他具等同性國際標準(例如: 美國ASTM F2100、歐洲EN 14683…等)之要求。兩類口罩主要差別在於: (※ 各國政府法規會不定期依環境及需求更新 ※)

(1) 一般醫用口罩: 在台灣風險等級屬於1醫療器材,許可證字號格式為:
“衛署醫器製(輸)字第 000000 號”,此種一般醫用口罩須通過:
1.1細菌過濾效率(BFE)≧95% – CNS 14775
1.2壓差(呼吸阻抗)≦5 mm H2O/cm2 – CNS 14777

(2) 外科手術口罩: 在台灣風險等級屬於2醫療器材,許可證字號格式:

“衛署醫器製(輸)字第 000000 號”,其下又分為3個Level等級,以”Level 1的外科手術口罩”為例,其須通過:

2.1細菌過濾效率(BFE)≧95% – CNS 14775
2.2壓差(呼吸阻抗)≦4 mm H2O/cm2 – CNS 14777

2.3次微米粒子防護效率(PFE)≧95% – A法(乳膠球法)– ASTM F2299-03
                                           ≧80% – B法(鹽霧法)- CNS 14755 之 8.2

2.4合成血液穿透性(最小通過壓力)>80 mmHgCNS 14776

2.5可燃性(防焰性) 1級: ≧3.5秒或不著火-CNS 10285 之 C

 

比起一般醫用口罩,外科手術口罩多了第3~5項的規範要求,即對於過濾及防止血液穿透及可燃性的要求更高;詳細比較可參考下列圖表。

CNS14774

<圖表來源: 醫用面()罩製造工廠品質管理指引: http://tiua.instruments.org.tw/archive/file/1080712002.pdf>

 

為了符合標準,口罩製造商在製作口罩時,對於口罩各層不織布之種類、品質、及克重等資訊,皆需要仔細評估與管控,消費者在選擇醫用口罩時,應選擇優良、有提供檢測報告及值得信賴的供應商,另外也要確認口罩製造商擁有製造/輸入醫療器材許可證、販賣者擁有販賣藥商許可執照,以免影響到口罩成品最終的過濾率與壓差等功效喔!

 

若有任何疑問,歡迎連絡依綸!

 

Reference

https://www.textiletoday.com.bd/types-non-woven-fabrics-manufacturing-processes-applications/

https://www.coronavirus.kdheks.gov/DocumentCenter/View/1416/Understanding-ASTM-Levels-for-Facemasks-PDF—7-30-20

國家標準(CNS)網路服務系統 檢索 (cnsonline.com.tw)

http://tiua.instruments.org.tw/archive/file/1080712002.pdf

 

~The end~

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