空气动力学表明直径小于5 μm的颗粒物对肌体伤害较大，1～2 μm颗粒物甚至易到达呼吸器官中较深部分，对肺部造成伤害，空气中的有害气体对人体健康危害较大，为避免细颗粒物及有害气体对人类身体的伤害，一系列口罩应运而生。但由于相关监管措施的滞后导致了口罩质量良莠不齐，很多口罩的宣传效果大于实效。
目前关于口罩的研究包括：过滤方式、过滤装置结构、过滤材料三个方面。过滤方式有如下五种：简单式、电吸附过滤式、磁偏离除去式、化学吸附法、溶液吸附过滤法。呼吸过滤装置结构设计有如下三种：简单口罩、设置有辅助装置的口罩、鼻式过滤器[1]。过滤材料有如下四种：普通脱脂纱布、非织造布过滤材料、超微细纤维高效过滤布材料、纳米材料。现在市面上口罩过滤方式较多采用简单耳挂式，过滤装置结构较多采用简单口罩。对于过滤材料则较多使用非织造布过滤材料，近年来，人们也非常重视对过滤材料的研究。活性炭的多孔隙结构，使其有大的比表面积，进而有强吸附性，因此将活性炭成分加入口罩中作过滤材料的研究也日益普遍，主要有以下三种方式：向口罩中加入一层活性炭纤维布；对活性炭进行改性处理使之能与熔喷布粘合；将活性炭颗粒引入熔喷气流中，使得二者进行复合。以上三种方法存在成本过高，工序复杂等缺陷。并且目前对口罩的研究重心主要在提高过滤效率上，并没有针对口罩内层材料的舒适性等方面进行研究。为了解决上述一系列问题，本文开发了成本低、过滤性能佳、呼吸阻力低，更舒适安全的纯棉水刺亲肤型口罩。
 
1　口罩的结构设计及材料选择
1.1　口罩的结构设计
口罩设计需要考虑的主要因素有：过滤性能、密合度、穿戴舒适性。
 
1.1.1　过滤性能
就流体中微粒的捕集而论，纤维材料过滤通常有扩散机制、直接堵截、惯性机制、重力机制、静电机制、库伦-范德华力引起的沉积等六大主要过滤机制的联合作用。由于聚丙烯(PP)熔喷非织造过滤布是由单纤维直径小于4 μm的超细纤维杂乱排列而成，纤维间构成三维网状结构，具有较大的比表面积和独特的多向弯曲孔道，能吸附、捕获及阻隔固体颗粒，是一种的空气过滤材料。活性炭是一种无定型的多孔粉末状物质，由于有大比表面积和微孔结构，因此具有高吸附能力和高表面活性，能有效防止由呼吸道传播的多种病菌[2]，去除异味，是一种独特的吸附材料。于是将PP熔喷非织造材料与活性炭进行复合，二者形成协同作用，能达到更好的滤效。所以口罩的过滤层采用熔喷过滤布与活性炭的复合层。
为改进熔喷材料与活性炭复合工序中存在的一系列不足，口罩的过滤层使用熔喷PP层夹活性炭粉末。其中关键技术是如何使活性炭粉末在熔喷布中均匀分布。采用磨绒装置对PP熔喷布进行均匀磨绒，使得毛羽间形成大量细小而接近等间距的孔隙且不破坏纤网结构，空隙易于活性炭均匀附着。达到了活性炭在熔喷材料中的均匀分布，工序简单便利。同时，活性炭与肌肤间的PP熔喷层，有效避免了活性炭的逸出，保证了安全性。
 
1.1.2　密合度
作为衡量口罩质量的一个重要指标，若口罩的外沿与人脸接触处形成缝隙，此处气流阻力将小于滤料处，据流体力学原理，气流优先会先流向阻力小的地方，口罩将失去效用。口罩内层材料采用低面密度型非织造布，纤维层越薄，贴服性能越好，密合度也越高，并通过使用鼻夹，在边缘使用细金属丝进行固定，进一步加强了密合度。
 
1.1.3　舒适度
口罩内层使用纯棉水刺非织造布，不易起毛掉毛，透气性好，柔软舒适，并设有适当大小的空腔来提高舒适性。口罩紧贴脸部会造成空气只流经口鼻附近滤料，减小了有效过滤面积，呼吸阻力大，引起不舒适性。口罩在鼻翼周边加一些柔性支架，使口罩在保证密合的情况下，能在口鼻处形成一个腔体，减小了口罩的呼吸阻力，提高了舒适性。
 
1.2　材料选择
1.2.1　口罩外层
口罩外层采用平方米克重为22 g/m2的涤粘水刺非织造布，其中涤纶占70%，粘胶占30%。涤纶中加入一定量的粘胶纤维，大大改善涤粘水刺非织造布的亲水性能 [3]，涤粘水刺非织造布综合了涤纶和粘胶的特性，有一定的强力及拒水性且不易产生静电。
 
1.2.2　口罩中间层
中间层为熔喷布和活性炭的复合层，其中的熔喷层采用平方米克重为18 g/m2的熔喷非织造布。
从原料成本、生产成本、及聚合物特性，如相对分子质量及其分布、聚合物熔体粘度与流动特性、降解性能等各方面考虑后，选择聚丙烯作为原材料，目的是降低能耗，提高产能。由于活性炭对气体杂质有强大的吸附性能，将活性炭与熔喷非织造布复合，对气体及细颗粒物均能达到过滤作用。
 
1.2.3　口罩内层
口罩内层采用平方米克重为18 g/m2的纯棉水刺非织造布。
化纤会带来面部刺痒感，可能导致过敏，因此内层材料使用100%纯棉水刺布。棉花为天然纤维，舒适性能佳，其吸湿性、透气性、透湿性、导湿性、抗静电性均优于化学纤维，柔软舒适安全，避免了刺痒感，且水刺加工过程不会带来二次污染。
 
2　测试仪器及条件
2.1　厚度测试
测试方法根据国家标准GB3820—1999对织物的厚度进行测试。采用YG(B)141D织物厚度仪，在温度为20℃±2℃，湿度为65%±2%的实验条件下进行测试，数值单位为毫米(mm)。
 
2.2　透气性能测试
测试方法根据国家标准 GB/T5453-1997对织物透气性能进行测试。采用YG(B)461D数字式织物透气量仪，在温度为20℃±2℃，湿度为65%±2%的实验条件下进行测试。仪器使用4号喷嘴(喷嘴直径为4 mm)，在压差为100 Pa条件下，测定垂直通过面积为20 cm2织物的透气率，数值单位为R(mm/s)。
 
2.3　过滤性能测试
测试方法根据国家标准GB 19082-2009对织物的过滤性能进行测试。采用LZC-H型滤料综合性能测试仪，在湿度为65%±2%，温度为30℃，流量为32 L/min的实验条件下，使用NaCl做为测试介质，测试面积为100 cm2的滤材的过滤性能。
 
3　实验结果与分析
3.1　厚度
厚度差为熔喷布的磨绒与活性炭的复合层的厚度。从表1可以看出，口罩整体的厚度均匀性较稳定，厚度差数值稳定，可推断出磨绒熔喷布绒毛起伏均匀，空隙中活性炭分布均匀，活性炭在熔喷布中实现了均匀分布。
 
3.2　透气性
医用一次性口罩的企业标准是，在实验压差为100 Pa时，透气率大于200 mm/s。从表2可以看出，此口罩的透气性测试结果稳定，均达到且超过要求，因此口罩在携带过程会较舒适，无滞闷感。
表2　活性炭口罩透气性能
 
3.3　过滤性能
测试得出口罩的过滤阻力为43 Pa，过滤阻力较小。
从图2可以看出该口罩对于直径≥0.3 μm的细颗粒物的滤效达到了98%，证明该口罩的过滤性能好。
 
4　结论
该活性炭口罩的过滤性能及透气性能均极佳，既能阻滞颗粒物，也能吸附有害气体。其应用领域包括医用防护及日常防护领域，保证了医护人员与普通群众的安全。另外，由于口罩内层采用了纯棉布，无刺痒感，特别适合老人，小孩，呼吸道疾病患者及敏感肤质群使用。