TW202208048A - 具有抗微生物性質的多層過濾器以及其在工業過濾應用及防護面罩之用途 - Google Patents

具有抗微生物性質的多層過濾器以及其在工業過濾應用及防護面罩之用途 Download PDF

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菲格雷斯 瑪麗亞 德 拉斯 梅塞德斯 帕多
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Abstract

本發明係關於應用於製造材料領域以供在用於諸如呼吸機之過濾設備以及用於防護面罩的過濾器中使用的聚合材料領域。特定言之，本發明係關於用於呼吸機及防護面罩之多層過濾器，該等過濾器可生物降解且包含基於藉由電流體動力學及空氣流體動力學加工而獲得之超細纖維的過濾材料，並且履行被動FFP1、FFP2、N95及FFP3防護且亦可為可洗的並具有活性抗微生物性質。

Description

具有抗微生物性質的多層過濾器以及其在工業過濾應用及防護面罩之用途
本發明係關於應用於製造材料領域以供在用於諸如呼吸機之過濾設備以及用於防護面罩的過濾器中使用的聚合材料領域。特定言之，本發明係關於用於呼吸機、呼吸器及防護面罩之多層過濾器，該等過濾器可生物降解且包含基於藉由電流體動力學及空氣流體動力學加工而獲得之超細纖維的過濾材料，並且履行被動FFP1、FFP2、N95及FFP3防護且亦可為可洗的並具有活性抗微生物性質。
將高濃度空浮污染物吸收至身體中可能為極危險的，此係因為其可經由皮膚、眼睛或呼吸系統由身體吸收。空浮污染物顆粒經由呼吸系統被吸收至肺中可導致急性及慢性健康風險，尤其當其包括諸如肺結核及麻疹之呼吸道傳染病的病原體，以及諸如嚴重急性呼吸綜合症(SARS)及H1N1 A流感之新興疾病的病原體時。
在此等狀況下，污染物之大小係重要的。一般而言，較小顆粒更可能為空浮且更危險的。因此，大於10 µm的顆粒通常保持在呼吸系統的頂部。因此，該等顆粒中的大多數無法深入肺中。然而，小於10 µm的顆粒係可吸入的，此意謂其能夠深入穿透至肺中。彼等顆粒尤其包括細菌、病毒、黏土、淤泥、菸草煙霧及金屬煙氣。
空浮污染物之危險可藉由應用基本控制來管理，諸如增加通風或向工作者提供防護設備，諸如防護面罩。
防護面罩已被醫院人員、實驗室研究人員、建築工地工作者以及高污染地區中或在流感季節期間的普通大眾廣泛使用。
防護面罩通常由過濾障壁組成，過濾障壁為判定面罩之防護等級的關鍵組件，此係由於過濾效率取決於顆粒大小及空氣流動速度。
習知防護面罩之大多數過濾障壁並不使用殺生物劑或殺病毒劑而功能化，此意謂防護面罩僅僅用作用於濾出污染物之實體障壁，且在大多數狀況下，其並不具有阻止小如大小介於100與200 nm之間的病毒之微生物的能力。此外，當此等污染物為病毒及細菌時，此類障壁不會將其自其接觸之織物消除。因此，附接至面罩之微生物可存活幾個小時，從而極大增加了交叉傳染之風險。最後，鑒於已知過濾器由非可生物降解材料製成，在非醫療群體大量使用面罩之狀況下，諸如在流行病期間，其可最終產生嚴重的環境問題。
本發明提出一種產生基於超細纖維之多層過濾器之方法及其在呼吸機、呼吸器及防護面罩中之用途，該等面罩具有材料之組合、材料之配置、纖維之形態及克重，其賦予該等纖維達成石蠟氣溶膠過濾等級所必需之性質平衡，稱為FFP1 (具有等於或大於80%的過濾含病毒氣溶膠的能力)、FFP2及N95 (具有分別等於或大於94%及95%的過濾含病毒氣溶膠的能力)及FFP3 (具有等於或大於99%的過濾含病毒氣溶膠的能力)；且在55 cm2 之區域內維持最大抗吸入性水準，在30 l/min氣流的情況下小於1.1毫巴，且在85 l/min氣流的情況下小於3.5毫巴。此等面罩可另外含有抗微生物物質、係可洗的且亦可在環境中具有可堆肥性及可生物降解性性質。
因此，本發明之第一態樣係關於一種多層過濾器，其特徵在於其至少包含： i)    內層(a)，其特徵在於其由聚合過濾材料構成且具有至少0.01 g/m2 、更佳介於5與3000 g/m2 之間、甚至更佳介於20與300 g/m2 之間的表面密度； ii)   中間層(b)，其特徵在於其由聚合纖維構成，視情況含有抗微生物物質，且具有至少0.01 g/m2 、更加介於0.1與10g/m2 之間且甚至更佳介於0.2與3 g/m2 之間的表面密度； iii)  外層(c)，其特徵在於其由聚合過濾材料構成且具有至少0.01 g/m2 、更佳介於5與3000 g/m2 之間且甚至更佳介於20與300 g/m2 之間的表面密度。
在較佳實施例中，形成過濾器之內層(a)及外層(c)的聚合材料係選自(但不限於)非水溶性蛋白質(諸如角蛋白)、多醣(諸如纖維素)、棉及一般而言任何天然纖維，及蠟或石蠟、聚羥基烷酸酯(PHA) (諸如PHB、PHV)、中長鏈PHA (mcl-PHA)，及其所有可能共聚物(諸如PHBV以及其他)、聚ε-己內酯(PCL)及其所有共聚物(諸如PEG-PCL及PCLA)、聚乳酸(PLA)、其所有共聚物(諸如PGLA)、聚磷氮烯、聚原酸酯、獲自天然前驅體之聚酯，諸如聚對苯二甲酸伸丙酯(PTT)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)，及其所有可能的共聚物(諸如聚(己二酸丁二醇酯-共-對苯二甲酸酯) (PBAT)以及其他)，以及其他非可生物降解聚合物，諸如：聚烯烴，其中值得注意的是基於乙烯之聚合物及共聚物，諸如聚乙烯、丙烯、聚乙烯-共-醋酸乙烯酯(EVA)、聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)及其共聚物、矽酮、聚酯、聚胺甲酸酯(PUR)、聚碸，鹵化聚合物，諸如聚二氟亞乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚二氯亞乙烯(PVDC)、聚二氯亞乙烯(PVC)、聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、乳膠、聚醯亞胺、聚碸及聚醯胺(諸如PA6、PA66或PA69、PA1010)，以及以上中之任一者的混合物，或以上中之任一者與添加劑(諸如塑化劑、界面活性劑、抗氧化劑、著色劑等)的混合物。
在一更佳實施例中，內層(a)及外層(c)係由具有或不具有功能性添加劑(諸如但不限於疏水劑)的織物或非織物聚合過濾材料製成，或經熱焊接或超音波焊接。在一甚至更佳實施例中，該等層係由非織物聚合過濾材料製成。
在一更佳實施例中，構成內層(a)及外層(c)之聚合材料獨立地選自聚丙烯、聚醯胺、聚酯、天然纖維、棉及纖維素，或其組合中之任一者。
在另一個較佳實施例中，形成中間層(b)的纖維之材料為選自鹵化聚合物之聚合物，諸如聚二氟亞乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚二氯亞乙烯、聚丙烯腈、聚碸及其衍生物、聚乳酸、聚胺甲酸酯及其衍生物、聚醯胺、交聯聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚羥基烷酸酯，諸如聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚對苯二甲酸伸乙酯、聚葡萄胺糖、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)及聚己內酯，或其組合中之任一者。
在另一較佳實施例中，形成中間層(b)的纖維之聚合物選自聚二氟亞乙烯、聚丙烯腈及聚羥基烷酸酯，或其組合中之任一者。在一甚至更佳實施例中，構成本發明之過濾器之中間層(b)的聚合物由聚二氟亞乙烯或聚羥基烷酸酯製成。
在另一較佳實施例中，形成中間層(b)的纖維之聚合物係選自鹵化聚合物，諸如聚二氟亞乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚二氯亞乙烯、聚丙烯腈、聚碸及其衍生物、聚胺甲酸酯及其衍生物、聚醯胺、交聯聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、非水可溶性蛋白質(諸如角蛋白)、多醣(諸如纖維素及幾丁聚醣)、棉及蠟或石蠟、聚羥基烷酸酯(PHA) (諸如PHB、PHV)、中長鏈PHA (mcl-PCA)，及其所有可能的共聚物(諸如PHBV以及其他)、聚ε-己內酯(PCL)及其所有共聚物(諸如PEG-PCL及PCLA)、聚乳酸(PLA)、其所有共聚物，諸如PGLA、聚磷氮烯、聚原酸酯、獲自天然或合成前驅體的可生物降解聚酯，諸如聚對苯二甲酸伸丙酯(PTT)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸己二酸丁二醇酯(PBSA)及其所有可能的共聚物，諸如聚(己二酸丁二醇酯-共-對苯二甲酸酯) (PBAT)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚對苯二甲酸伸乙酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)及聚己內酯及其共聚物，或其組合中之任一者。
在另一較佳實施例中，形成中間層(b)的纖維之聚合物具有小於800千道爾頓、更佳小於300千道爾頓且甚至更佳小於200千道爾頓之分子量。
在另一較佳實施例中，中間層(b)含有抗微生物物質之顆粒、奈米粒子或液體：抗微生物物質選自(但不限於)氧化鋅、銀、硝酸銀、銅、氧化銅、含碳材料(諸如石墨烯、碳微管及碳奈米管)、氧化鈦及二氧化鈦、天然提取物及精油、幾丁質及幾丁聚醣、氧化鋁、二氧化矽(SiO2 )、環糊精(CD)、十六烷基三甲基溴化銨(hexadecyltrimethylammonium bromide，CTAB)、抗生素及抗病毒劑，諸如四環素、碘、三氯沙(triclosan)、洛赫西定(chlorhexidine)、阿昔洛韋(acyclovir)、環丙沙星(cyclofloxacin)或其組合。在一更佳實施例中，抗微生物物質為氧化鋅；在一甚至更佳實施例中，中間層(b)中所含之抗微生物物質為氧化鋅奈米粒子或CTAB。
在另一較佳實施例中，內層(a)及/或外層(c)含有抗微生物物質之顆粒、奈米粒子或液體：抗微生物物質選自(但不限於)氧化鋅、銀、硝酸銀、銅、氧化銅、含碳材料(諸如石墨烯、碳微管及碳奈米管)、氧化鈦及二氧化鈦、天然提取物及精油、幾丁質及幾丁聚醣、氧化鋁、二氧化矽(SiO2 )、環糊精(CD)、抗生素及抗病毒劑，諸如四環素、碘、三氯沙、洛赫西定、阿昔洛韋、環丙沙星或其組合。在一更佳實施例中，抗微生物物質為氧化鋅；在一甚至更佳實施例中，內層(a)及/或外層(c)中所含之抗微生物物質為氧化鋅奈米粒子。
在另一較佳實施例中，中間層(b)不含有抗微生物物質之顆粒、奈米粒子或液體。
在另一較佳實施例中，層中之每一者中之纖維中的抗微生物之含量按重量計小於50%、更佳小於25%且甚至更佳小於13%。
在本發明中，術語「抗微生物物質」係指殺死微生物或阻止其生長之試劑。微生物涵蓋在進化上彼此不相關的異質單細胞生物，諸如細菌(原核生物)、原蟲(真核生物、一些藻類門)及單細胞真菌，且亦包括諸如病毒及朊病毒之超顯微非細胞生物實體。本發明之抗微生物活性領域主要聚焦於細菌、真菌及尤其所有類型之病毒。
在另一較佳實施例中，中間層(b)之纖維為具有光滑或珠狀形態之纖維。
在另一較佳實施例中，中間層(b)包含額外層。此額外層(b')可含有與被沈積有該額外層之第一中間層(b)之聚合物相同的聚合物，或其可由不同聚合物之纖維構成。同樣地，形成兩個中間層(b及b')中之每一者的兩種聚合物之形態可具有相同或不同形態，且同樣，其可具有相同或不同表面密度。
在一甚至更佳實施例中，額外中間層(b')係由與在中間層(b)中之聚合物具有相同形態及相同表面密度的相同聚合物構成。
在另一較佳實施例中，中間層(b)具有平均直徑在10與3000 nm之間、更佳在50與900 nm之間且甚至更佳在75與300 nm之間的纖維形態。
在另一較佳實施例中，額外中間層(b')之纖維具有直徑大於500 nm之纖維形態。
在另一較佳實施例中，額外中間層(b')之纖維具有直徑等於中間層(b)之纖維之直徑的纖維形態。
在另一較佳實施例中，當中間層(b)之平均纖維直徑小於200 nm時，中間層之表面密度等於或小於0.5 g/m2 。
在本發明之另一較佳實施例中，當構成過濾器層之聚合物的纖維光滑時，中間層之表面密度等於或小於1 g/m2 。
在本發明之另一較佳實施例中，當構成過濾器層之聚合物的纖維為珠狀時，中間層之表面密度等於或小於3 g/m2 。
在本發明中，表面密度以g/m2 表示；對於層中之每一者，其係藉由對具有已知尺寸之樣本進行稱重來計算。接著將此重量除以樣本之表面積。對每一層之至少5個樣本進行此製程，以便因此獲得整個層之平均表面密度值。
在另一較佳實施例中，中間層(b)之表面密度之分散度小於30%、更佳小於20%且甚至更佳小於10%。
在本發明中，構成過濾器層之聚合物較佳在環境中可堆肥及/或可生物降解。
在另一較佳實施例中，本發明之多層過濾器在55 cm2 之區域內具有最大抗吸入性水準，在30 l/min氣流的情況下小於1.1毫巴，且在85 l/min氣流的情況下小於3.5毫巴。
在另一較佳實施例中，本發明之多層過濾器可單獨使用，或以任何可能的組態堆疊在自身上或堆疊在其他商用多層或單層過濾器上，以形成具有更大過濾能力的新的較厚過濾器。
以此方式，本發明之過濾器可用於捲筒上作為中間產品，稍後視情況與其他層層壓，該等其他層提供疏水性、防濺性、額外過濾能力、機械強度及/或與皮膚接觸後的舒適性，且最後藉由任何工業方法以產品之最終製造商所需的尺寸切割，或其可藉由任何切割方法(例如運用雷射或模切機)被切割成任何形狀或大小，具有適當尺寸且用作最終產品。
在本發明中，術語「聚合物」係指處於純外反應器狀態以及作為通常由化學工業使用之商業調配物中之添加劑及後加工材料的大分子材料，更通常稱為塑膠等級。可另外將聚合物或塑膠等級中之任一者添加製程添加劑、生物可降解性促進劑或提供穩定性之添加劑、呈微米、次微米或奈米形式之「填充劑」類型的其他類型添加劑以改良其物理化學性質或抗微生物之保留能力及控制釋放。此類添加劑可為化學品、纖維、薄片或顆粒。
在本發明中，涉及「光滑」及「珠狀」纖維之形態的術語係指在所產生之纖維結構中發現的不同類型之形態。因此，術語「光滑纖維」係指當纖維具有光滑表面與相當規則的直徑橫截面時。另一方面，術語「珠狀纖維」係指具有沿著纖維之橫截面散置之球形、長橢圓形或其他不規則珠粒的纖維。藉由由較厚珠粒組成，此結構產生額外微孔隙率，從而使得其有利於改良過濾器之透氣性(織物易於使空氣通過其橫截面)，儘管其降低了其對氣溶膠(例如石蠟或氯化鈉)穿透之抗性(織物減小病毒通過其橫截面的能力)。
另一方面，本發明之多層過濾器之中間層可藉由在前一層上沈積每一層來連續製造，或分開製造且接著視情況將該等層層壓，或藉由組合兩者來製造。
當藉由壓延進行層壓時，層壓可藉由在存在或不存在壓力下使用兩個或多於兩個滾筒來進行，其中該等滾筒中之至少一者可處於所需溫度，或可發生所有滾筒處於相同所需溫度下之狀況。
所產生之層可以使得內層與加熱滾筒接觸之方式或相反地，最後層為與處於所需溫度之滾筒接觸之層而壓延。
在另一較佳實施例中，可連續地使一層在前一層之頂部上來製造不同層，且接著在存在或不存在熱及存在或不存在壓力之情況下，較佳藉由在低溫下壓延來進行處理製程以確保層之間的黏著，從而提供更光滑紋理且減小厚度。
關於構成本發明之面罩的中間層之製造，此等層較佳使用用於獲得已知纖維之電流體動力學及空氣流體動力學技術中之任一者來製造，該等技術諸如電紡絲、電流體動力學直寫、熔融電紡絲、溶液吹塑紡絲、電噴霧、溶液吹塑噴霧、藉由加壓氣體輔助之電噴霧或所有上述各者之組合。然而，亦可使用用於獲得纖維之任何其他方法，諸如離心噴射紡絲或此方法與先前提及之彼等方法的組合。電流體動力學及空氣動力學技術係基於在室溫或低溫下使用將電場或氣體壓力施加至之聚合溶液而形成微米、次微米或超細聚合纖維。其呈溶液形式使用的事實呈現較大變通性，此係由於其允許各種物質(抗微生物)併入於溶液自身中。同時，其可加工性處於室溫之事實避免了某些問題，諸如活性物質之降解。
運用此等技術及前述聚合物，在本發明中，藉由使用包括但不限於核-殼技術、共沈積、直接混合、乳化技術、預囊封在顆粒中或逐層沈積等技術來併入抗微生物物質。
在本發明中，逐層沈積方法由使用系統組成，其中該等層在同一製程內依序沈積。以此方式，開始先將其中一層經電紡絲直至達到所要厚度且接著將第二層電紡絲在第一層上面，從而連續獲得原位多層系統。
本發明之第二態樣係關於獲得如上文所定義之本發明之多層過濾器，其包含以下步驟： i) 將中間層(b)沈積於內層(a)上； ii)     視情況，將一或多個額外中間層(b')沈積於中間層(b)上； iii)    將外層(c)與先前層層壓。
本發明之第三態樣係關於獲得如上文所定義之本發明之多層過濾器，其包含以下步驟： i)     將中間層(b)沈積於內層(a)上； ii)    將額外中間層(b')沈積於外層(c)之內面上； iii)   層壓先前層，使得層(b)及(b')接觸。
在本發明之一較佳實施例中，在無任何類型之黏著方法的情況下，藉由簡單地將構成過濾器之不同層接合在一起來層壓該等層。
視情況，將構成過濾器之層沿著其表面部分地或完全層壓，因此藉助於任何已知層壓技術，在內層(a)下方及/或在外層(c)上方添加防護層，包括在環境或熱條件下用壓力壓延或無壓力壓延，藉由例如藉由超音波、縫合或熱封而施加到達熔點之黏著劑。
本發明之第三態樣係關於本發明之多層過濾器之用途，該多層過濾器係用於製造(但不限於)通用工業空氣或液體過濾器、用於需要人工呼吸之患者的醫療呼吸機，且用於製造可洗的或不可洗的面罩，用於手術、衛生或個人防護設備(PPE)防護。本發明之過濾器可用於捲筒上作為中間產品，稍後視情況與其他層層壓，該等其他層提供疏水性、防濺性、額外過濾能力、機械強度及/或與皮膚接觸後的舒適性，且最後藉由任何工業方法以產品之最終製造商所需的尺寸切割，或其可藉由任何切割方法(例如運用雷射或模切機)被切割成任何形狀或大小，具有適當尺寸且用作最終產品。因此，該等過濾器用於(但不限於)根據任何已知工業方法製造由一或多個片件製成之面罩，或用作用於可重複使用面罩的消耗性過濾器。
在一較佳實施例中，本發明之多層過濾器對病毒大小之顆粒的抗穿透性小於20%、更佳小於6%，且甚至更佳小於1%。
在一較佳實施例中，本發明之多層過濾器在55 cm2 之區域內具有最大抗吸入性水準，在30 l/min氣流的情況下小於1.1毫巴，且在85 l/min氣流的情況下小於3.5毫巴。
本發明之多層過濾器之主要功能因此為防止微生物穿透，通常針對病毒及細菌(革蘭氏陽性及革蘭氏陰性兩者)，但較佳針對大小在30至500 nm之間的病毒，諸如(但不限於)腺病毒、冠狀病毒、人類間質肺炎病毒、副流行性感冒病毒、流感(流行性感冒)、呼吸道融合性病毒(RSV)、鼻病毒/腸病毒，且更特定言之，伊波拉病毒、疱疹病毒(HSV-1)、流行性感冒病毒(A、B、C、D)、人類呼吸道融合性病毒(RSV)、水痘、SARS-CoV及其衍生物，以及針對引起COVID-19之SARS-CoV-2。
本發明之額外態樣係關於一種含有如上文所描述之本發明之過濾器的面罩，其中該面罩防禦微生物。
在一較佳實施例中，微生物為選自伊波拉病毒、疱疹病毒、流行性感冒病毒、人類呼吸道融合性病毒、水痘、SARS-CoV及其衍生物以及引起COVID-19之SARS-CoV-2的病毒。
在另一態樣中，本發明係關於一種由多層製成之半透明面罩，該多層至少包含： (i)與皮膚接觸之內層(a)，其特徵在於其由聚合網狀織物構成，該網目織物具有1至90 µm之紗線直徑、介於100與400 µm之間的網孔或40至150個，較佳40至120個每線性吋孔數(網目)，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度； (ii)至少一個中間層(b)，其特徵在於其由聚合纖維構成，視情況含有抗微生物物質，具有介於20至500 nm之間的直徑的纖維形態及介於0.01與1 g/m2 之間的表面密度；及 (iii)外層(c)，其特徵在於其由以下各者構成： - 聚合網狀織物，其具有1至90 µm之紗線直徑，及介於100與400 µm之間的網孔或每直線吋孔數(網目)為40至150，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度；或 - 微穿孔透明聚合膜，其具有介於10與50 µm之間的厚度、具有介於0.1與5 mm之間的穿孔直徑、介於0.5與6 mm之間的穿孔之間的距離，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度。
形成內層(a)及外層(c)之聚合網目的聚合材料可為任何熟習其摻合技術者已知的聚合材料。在一較佳實施例中，內層(a)及外層(c)之聚合材料獨立地選自聚烯烴及其共聚物，諸如聚丙烯、聚醯胺、聚乳酸、聚羥基烷酸酯、一般生物聚酯及一般聚酯(諸如聚對苯二甲酸伸乙酯)、天然纖維(諸如棉)、多醣及纖維素材料或其任何組合。更佳地，聚合網目係耐綸、聚乳酸或聚羥基烷酸酯及聚烯烴之透明膜，諸如(例如)流延聚丙烯(cast polypropylene，CPP)、生物定向聚丙烯(bio-oriented polypropylene，BOPP)；或纖維素材料。
在另一較佳實施例中，內層纖維材料(b)為選自鹵化聚合物之聚合物，諸如聚二氟亞乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚二氯亞乙烯、聚丙烯腈、聚碸及其衍生物、聚乳酸、聚胺甲酸酯及其衍生物、聚醯胺、具有或不具有交聯之聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚羥基烷酸酯，諸如聚(3-羥基丁酸酯)或聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚對苯二甲酸伸乙酯、幾丁聚醣、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯及聚己內酯，或其組合中之任一者或共聚物。
在另一較佳實施例中，間層纖維(b)之聚合物選自聚二氯亞乙烯、聚二氟亞乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈及聚羥基烷酸酯，或其組合中之任一者，其具有或不具有添加劑來控制纖維直徑及/或賦予抗微生物性質。在又一更佳實施例中，構成本發明之多層之中間層(b)的聚合物為具有十六烷基三甲基溴化銨(Cetyltrimethylammonium Bromide，CTAB)或溴化鋰(Lithium Bromide，LiBr)之聚羥基烷酸酯以控制纖維直徑及/或賦予抗微生物性質。
在一較佳實施例中，本發明之面罩之特徵在於其包含兩個中間層：中間層(b)及額外層(b')，其中各層之表面密度小於或等於0.5 g/m2 ，或兩者之表面密度之總和小於1 g/m2 。
此額外層(b')可含有與被沈積有該額外層之第一中間層(b)之聚合物相同的聚合物，或可由不同聚合物之纖維構成。同樣地，構成兩個中間層(b及b')中之每一者的兩種聚合物之形態可具有相同或不同形態，且其可具有相同或不同表面密度。
在另一較佳實施例中，中間層(b)及/或(b')具有平均直徑在100與400 nm之間的纖維形態。
在本發明中，表面密度以g/m2 表示；對於層中之每一者，其係藉由對已知尺寸之樣本進行稱重來計算。接著將此重量除以樣本之表面積。對每一層之至少5個樣本進行此製程，以便獲得整個層之平均表面密度值。
在本發明中，構成多層之層之聚合物較佳為可堆肥的及/或環境上可生物降解的。
在另一較佳實施例中，本發明之多層可單獨使用，或以任何可能的組態堆疊在自身上或堆疊在其他商用多層或單層過濾器上，以構成具有較高過濾能力之新的多層，但不損害半透明性。
在另一較佳實施例中，在滾筒層壓機中在無壓力或熱下將多層層壓及/或切割成製造面罩所需之尺寸，且接著藉由在有或無褶皺的情況下縫合及/或超音波接合層於邊緣處或在本體之任何區域中而將該多層製成面罩，將橡膠帶添加至該面罩、將面罩縫合、超音波密封或藉由融合或運用某種類型之黏著劑而膠合，且視情況併入任何已知形狀或類型的鼻夾。
關於構成本發明之面罩的中間層之製造，此等層較佳藉助於用於獲得纖維之已知電流體動力學及空氣流體動力學技術中之任一者來進行，該等技術諸如電紡絲、電流體動力學直寫、熔融電紡絲、溶液吹塑紡絲、電噴霧、溶液吹塑噴霧、藉由加壓氣體輔助之電噴霧或所有上述各者之組合。然而，亦可使用獲得纖維之任何其他方法，諸如離心噴射紡絲或上述各者之組合。電流體動力學及空氣動力學技術係基於在室溫或低於室溫下自將電場或氣體壓力施加至之聚合溶液而形成微米、次微米或超細聚合纖維。其呈溶液形式使用的事實呈現較大變通性，此係因為其允許將各種物質(抗微生物劑)併入於溶液自身中。同時，其可在室溫下加工之事實避免了諸如活性物質降解之問題。
運用此等技術及上文所提及之聚合物，在本發明中，使用包括但不限於以下各者之技術來併入抗微生物物質：核-殼技術、共沈積、直接混合、乳化技術、顆粒中預囊封或逐層沈積等。
在本發明中，逐層沈積方法由使用系統組成，其中該等層在同一製程內依序沈積。以此方式，最初電噴霧層中之一者直至厚度為所要厚度，且接著將第二層電噴霧於第一層之頂部上，從而獲得連續原位多層系統
在另一較佳實施例中，本發明之面罩包含： - 層(a)及層(c)，其由聚合網狀過濾織物(亦稱為網印網目)組成，該聚合網狀過濾織物具有1至90 µm之紗線直徑，及介於100與400 µm之間的網孔，或每直線吋孔數(網目)為40至150；及 - 間層(b)，其係基於具有直徑介於20至500 nm之間的纖維形態及介於0.01與1 g/m2 之間的表面密度的聚合奈米纖維之沈積，以達成70%或更大之細菌過濾效率(BFE)，及75%或更大、更佳等於或大於80%且甚至更佳等於或大於90%之氣溶膠過濾效率，及在160 l/min之空氣流動速率下量測的在100 cm2 中的小於600 Pa之呼氣壓力差，且半透明性或透明度足以能夠觀測到使用者之嘴巴。
在另一較佳實施例中，本發明之面罩包含： - 層(a)，其與穿戴者之皮膚接觸、由聚合網狀過濾織物(亦稱為網印網目)組成，該聚合網狀過濾織物具有1至90 µm之細線直徑，及介於100與400 µm之間的網孔，或40至120個每線性吋孔數(網目)； - 間層(b)，其係基於纖維直徑介於20至500 nm之間且表面密度介於0.01與1 g/m2 之間的聚合奈米纖維之沈積，以達成70%或更大之細菌過濾效率(BFE)，及75%或更大、更佳80%或更大且甚至更佳90%或更大的氣溶膠過濾效率，及在160 l/min之空氣流動速率下量測的在100 cm2 中的小於600 Pa之呼氣壓力差，且足夠半透明性或透明度能夠觀測到使用者之嘴巴； - 第三層，其由厚度在10至50 µm之間的、微穿孔的、穿孔直徑介於0.1至5 mm之間且穿孔之間的距離介於0.5至6 mm之間的透明聚合膜組成。
在另一較佳實施例中，本發明之面罩包含： - 層(a)及層(c)，其由聚合網狀過濾織物(亦稱為網印網目)組成，該聚合網狀過濾織物具有1至90 µm之細線直徑，及介於100與400 µm之間的網孔，或每直線吋孔數(網目)為40至150； - 兩個中間層(b及b')，其將形成由相同或不同本質之聚合奈米纖維組成的第二層及第三層，該等聚合奈米纖維具有在20至500 nm之間的直徑之纖維形態且具有層中之每一者的小於或等於0.5 g/m2 之表面密度，使得半透明性或透明度不受影響，同時維持細菌過濾特性(BFE)等於或大於70%且氣溶膠過濾特性等於或大於75%，更佳等於或大於80%且甚至更佳等於或大於90%，及在160 l/min之空氣流動速率下量測的在100 cm2 中的小於600 Pa之呼氣壓力差，且半透明性或透明度足以能夠觀測到使用者之嘴巴。
本發明之半透明面罩可為可洗的或不可洗的、具有衛生、手術或PPE類型之防護，例如根據EN149或N95之FFP1、FFP2、N95、KN95或類似者。面罩可為根據任何已知工業方法由一或若干片件製成或以含有用於可重複使用半透明面罩之拋棄式之過濾器的方式製造的拋棄式面罩。
在本發明中，術語「半透明面罩」係指允許穿戴者之嘴巴的表達可見的完全或部分透明面罩。在量化術語中，其應在600 nm之波長下具有小於6 mm- 1 之透明度。
在本發明中，術語「聚合網目」係指由聚合纖維構成之針織網目，其特徵為其為完美地適應於面部之輪廓的可變形材料。在界定此聚合網目時，諸如紗線大小及孔開口之因素係相關的。在本發明中，面罩之內層(a)之聚合網目之特徵在於，1至90 µm之引線直徑及100與400 µm之間的網孔或40至150、較佳40至120個每線性吋孔數(網目)。
本發明之由以上多層製成、根據面罩之類型切割成製造商所需之大小且使用層壓、切割及密封或縫合之任何已知方法所製造的面罩防止氣溶膠及微生物穿透，通常防止病毒及細菌(革蘭氏陽性及革蘭氏陰性兩者)，但較佳防止大小介於30至500 nm之間的病毒，諸如但不限於腺病毒、冠狀病毒、人類間質肺炎病毒、副流行性感冒病毒、流行性感冒、呼吸道融合性病毒(RSV)、鼻病毒/腸病毒且更特定言之伊波拉病毒、疱疹病毒(HSV-1)、流行性感冒病毒(A、B、C、D)、人類呼吸道融合性病毒(RSV)、水痘SARS-CoV及其衍生物，以及防止SARS Covid-19。
本發明之最終態樣係關於含有如上文所描述之本發明之過濾器的通用工業空氣或液體過濾設備。
在一較佳實施例中，微生物為選自伊波拉病毒、疱疹病毒、流行性感冒病毒、人類呼吸道融合性病毒、水痘、SARS-CoV及其衍生物以及引起COVID-19之SARS-CoV-2的病毒。
貫穿本說明書及在申請專利範圍中，詞語「包含(comprise)」及其變化形式並不意欲排除其他技術特徵、添加劑、組分或步驟。對於熟習此項技術者而言，可自本發明之描述及實務用途兩者推導出本發明之其他目標、優點及特徵。以下實例及圖式以說明之方式提供，且其不意欲限制本發明。
實例
接下來，本發明將由本發明人針對所開發之每一類型之過濾器(例如具有抗微生物能力及可生物降解設計之被動FFP3過濾器)進行的一些實例來說明，其證實本發明產品之有效性。實例 1 ： 具有帶光滑超細纖維結構之電紡絲 PVDF 的 FPP3 三層結構系統
電紡絲超細纖維之中心層係由具有300千道爾頓(kDalton)之分子量的聚二氟亞乙烯製成。為此，使用15重量% (wt.%)PVDF之DMF/丙酮混合物(50:50 wt.)溶液。一旦溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用18 kV之發射極電壓及線性多發射極注入器電壓。此等超細纖維在30 g/m2 聚丙烯(PP)基質上，以200轉/分鐘(rpm)之速度及以20 cm之距離沈積於旋轉收集器上。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有1 g/m2 之表面密度。在生產之後，將30 g/m2 PP層置放於PVDF沈積物上且在80℃下壓延以使得最終材料在終止時即如同圖1中所描述之多層過濾器一般。
   材料 克重(g/m2 )
外層 非織物PP紡黏 30
中間層 具有光滑纖維之電紡絲PVDF 1
內層 非織物PP紡黏 30
運用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測藉由電紡絲技術產生之PVDF層，從而產生具有220 nm與280 nm之間的恆定直徑的纖維微結構，如在圖1中可看到。當此材料隨後在60℃的熱水及清潔劑中之攪拌下進行洗滌循環且接著經乾燥時，由SEM量測之中間層的一致性及形態不受影響。
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟氣溶膠的抗穿透性之測定給出了為0.9%之值；因此，此過濾器將被分類為FFP3類型(每100個氣溶膠顆粒中，1個或不到1個通過)。實例 2 ： 具有具有珠狀超細纖維結構之電紡絲 PVDF 的 FFP1 三層結構系統
中心層係由具有500千道爾頓之分子量的聚二氟亞乙烯製成。為此，使用在DMF/丙酮混合物(50:50 wt.)中10重量% (wt.%)的PVDF溶液。一旦該溶液經溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用為19 kV之發射極電壓及為-7 kV之集極電壓。亦使用經由線性多發射極注入器的10 ml/h之流動速率。纖維以200 rpm在由30g/m2 非織物PP基質覆蓋的旋轉收集器上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有3 g/m2 之表面密度。在生產之後，將30 g/m2 PP層置放於PVDF沈積物上且在80℃下壓延以使得最終材料如同圖2中所說明之多層過濾器般終止。
   材料 克重(g/m2 )
外層 非織物PP紡黏 30
中間層 具有珠狀纖維之電紡絲PVDF 3
內層 非織物PP紡黏 30
運用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測藉由電紡絲產生之PVDF層，從而產生具有微米大小珠狀結構的約200奈米之纖維結構，該等珠狀結構對應於大小顯著增大的纖維區域，從而形成一種類型之顆粒，因此被稱為珠狀纖維。此珠狀形態在織物之透氣性方面提供了優點，此係由於珠粒有助於最佳化纖維之填集密度且珠粒之存在增大了纖維之間的距離從而減小過濾器上之壓降。
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定給出了為17.8%之值；因此，此過濾器將被分類為FFP1類型(每100個氣溶膠顆粒中，20個或不到20個通過)。實例 3 ： 具有光滑超細電紡絲 PAN 及氧化鋅纖維之 FFP2 三層結構系統
中心層係由聚丙烯腈(PAN)製成。為此，使用11重量% (wt.%)之PAN與二甲基甲醯胺(DMF)及2重量% (wt.%)的氧化鋅(ZnO)奈米粒子的溶液來產生抗微生物性質。一旦該溶液經溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用30 kV之發射極電壓及-10 kV之集極電壓，且亦使用經由線性多發射極注入器的5 ml/h之流動速率。纖維以200 rpm之速度在由30 g/m2 非織物PP基質覆蓋的旋轉收集器上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有0.5 g/m2 之表面密度。在生產之後，將30 g/m2 非織物PP層置放於PAN沈積物上且在80℃下壓延以使得最終材料如同圖1中所描述之多層過濾器般終止。
   材料 克重(g/m2 )
外層 非織物PP紡黏 30
中間層 具有光滑纖維之電紡絲PAN 0.5
內層 非織物PP紡黏 30
同樣地，使用日本工業標準JIS Z 2801 (ISO 22196：2007)之修改相對於金黃色葡萄球菌 (S . aureus ) CECT240 (ATCC 6538p)及大腸桿菌 (E . coli )CECT434 (ATCC 25922)之菌株來評估此結構之抗微生物性質。就抑制材料中之此等群體生長之能力而言分析過濾器且如表1中所說明，觀測到過濾器展示出對兩種菌株之強生長抑制(R≥3)，其中在量測其的第一天，相對於對照(無ZnO之過濾器)減少了3個記錄單位。此等結果指示此等過濾器高效地抑制此類型之菌株，此係由於R ＜ 0.5將指示材料對細菌之抑制並不顯著，而R ≥ 1且＜3將指示其略微顯著。R ≥ 3將指示其明顯顯著，此意謂對微生物生長之抑制隨著時間推移有效且恆定。表 1 . 在24小時後具有抗微生物能力的過濾器上之金黃色葡萄球菌 及大腸桿菌 的減少。
微生物 天數 對照 (PAN 過濾器 ) Log (CFU/ml) PAN + 2% ZnO 過濾器 Log (CFU/ml) R
金黃色葡萄球菌 1 6.91 ± 0.06 3.00 ± 0.05 3.91
大腸桿菌 1 6.91 ± 0.06 3.78 ± 0.08 3.13
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定給出了為5%之值；因此，此過濾器將被分類為FFP2類型(每100個氣溶膠顆粒中，6個或不到6個通過)。實例 4 ： 光滑超細電紡絲 PAN 及氧化鋅纖維之中間層依據接觸時間而變化的殺菌性質
中心奈米纖維層係由聚丙烯腈(PAN)製成。為此，使用11重量% (wt.%)的PAN與二甲基甲醯胺(DMF)及3重量% (wt.%)的氧化鋅(ZnO)奈米粒子的溶液來產生抗微生物性質。一旦該溶液經溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用30 kV之發射極電壓及-10 kV之集極電壓，且亦使用經由線性多發射極注入器的5 ml/h之流動速率。纖維以200 rpm之速度在由黑色導電無孔聚乙烯基質覆蓋之旋轉收集器上沈積。奈米纖維層具有為0.4 g/m2 之表面密度。
使用日本工業標準JIS Z 2801 (ISO 22196：2007)之修改在高達8小時之時段內相對於金黃色葡萄球菌 (S . aureus )CECT240 (ATCC 6538p)及大腸桿菌 (E . coli ) CECT434 (ATCC 25922)之菌株來評估此結構之抗微生物性質。就抑制材料中之此等群體生長之能力而言分析過濾器且如表2中所說明，觀測到過濾器展示出對兩種菌株之強生長抑制(R≥3)，其中在接觸3小時時，相對於對照(無ZnO之過濾器)減少了3個記錄單位。此等結果指示此等過濾器高效地抑制此類型之菌株，此係由於R ＜ 0.5將指示材料對細菌之抑制並不顯著，而R ≥ 1且＜3將指示其略微顯著。R ≥ 3將指示其明顯顯著，此意謂對微生物生長之抑制隨著時間推移有效且恆定。表 2 . 在接觸1、3、6及8小時之後，具有抗微生物能力的過濾器上之金黃色葡萄球菌 及大腸桿菌 的減少。
時間 (h) 對照 Log (CFU/ml) 奈米纖維 Log (CFU/ml) R
金黃色葡萄球菌 1 6.01 ± 0.11 3.76 ± 0.21 2.25 (99%)
3 6.86 ± 0.17 3.68 ± 0.15 3.18 (99.9%)
6 7.18 ± 0.19 3.10 ± 0.18 4.08 (99.99%)
8 7.86 ± 0.13 2.99 ± 0.17 4.87 (99.999%)
大腸桿菌 1 5.98 ± 0.09 3.96 ± 0.11 2.02 (99%)
3 6.36 ± 0.10 3.29 ± 0.13 3.07 (99.9%)
6 7.01 ± 0.14 3.32 ± 0.10 3.69 (99.99%)
8 7.88 ± 0.11 3.28 ± 0.15 4.60 (99.999%)
實例 5 ： 具有光滑超細電紡絲 PVDF 及氧化鋅纖維之手術面罩依據時間而變化的殺菌性質。
中心層係由聚二氟亞乙烯製成。為此，使用在DMF/丙酮混合物(50:50 wt.)中13重量% (wt.%)的PVDF且具有相對於聚合物為3重量%的ZnO (wt.%)的溶液。將此溶液在電紡絲之前音波處理3分鐘，且接著製造纖維薄片。為進行此操作，使用30 kV之發射極電壓及-10 kV之集極電壓，且亦使用經由線性多發射極注入器的5 ml/h之流動速率。此等超細纖維在來自Bioinicia SL之LE-500-Fluidnatek設備中之卷軸式系統中在17 g/m2 聚丙烯(PP)紡黏基質上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有0.3 g/m2 之表面密度。其接著在層壓機中經層壓至另一17 g/m2 PP紡黏層且用超音波密封於邊緣上。此捲筒用以製造手術面罩，該手術面罩藉由縫合及在每一側添加另外兩個30 g/m2 PP紡黏層來密封。
   材料 克重(g/m2 )
雙外層 非織物PP紡黏 30及17
中間層 具有光滑纖維之電紡絲PVDF 0.3
雙內層 非織物PP紡黏 17及30
此面罩組態之殺菌效能係根據大稀釋協定之指導原則來判定，該協定描述於針對有氧生長之細菌之稀釋抗微生物易感性測試的方法(Methods for Dilution Antimicrobial Susceptibility Tests for Bacteria That Grow Aerobically)中；由臨床及實驗室標準學會(CLSI)審批通過的標準第十版本(M07-A10)。在8小時內相對於金黃色葡萄球菌 (S . aureus )CECT240 (ATCC 6538p)及大腸桿菌 (E . coli ) CECT434 (ATCC 25922)之菌株來評估此結構之抗菌性質，且結果展示於表3中。
在此狀況下，觀測到面罩在接觸8小時之後展示出對兩者菌株之強生長抑制，其中相對於對照(相同面罩，但無ZnO)減少了3個記錄單位，從而展示出在1小時之後抗微生物活性已經指示面罩對兩種菌株之抑制略微顯著。R ＜0.5將指示材料對細菌之抑制並不顯著，而R ≥ 1且＜3將指示其略微顯著。R ≥ 3將指示其明顯顯著，此意謂對微生物生長之抑制隨著時間推移有效且恆定(參見表3)。表 3 . 在接觸1、3、6及8小時之後，具有殺菌能力的手術面罩中之金黃色葡萄球菌 及大腸桿菌 的減少。
時間 (h) 對照 Log (CFU/ml) 面罩 Log (CFU/ml) R
金黃色葡萄球菌 1 6.06 ± 0.21 4.53 ± 0.25 1.53 (95%)
3 6.91 ± 0.20 4.33 ± 0.18 2.58 (99.6%)
6 7.23 ± 0.16 4.22 ± 0.17 3.01 (99.9%)
8 7.91 ± 0.19 4.10 ± 0.20 3.81 (99.99%)
大腸桿菌 1 6.03 ± 0.18 4.61 ± 0.15 1.42 (95%)
3 6.42 ± 0.21 4.19 ± 0.20 2.23 (99%)
6 7.11 ± 0.17 4.15 ± 0.19 2.96 (99.9%)
8 7.89 ± 0.15 4.12 ± 0.13 3.77 (99.99%)
實例 6 ： 具有具有光滑超細纖維結構之電紡絲 PHBV 的 FFP2 三層結構系統
中心層係由由瓦倫西亞市Ocenic Resins SL供應的聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)(PHBV)製成。為此，使用在三氟乙醇(TFE)中2重量% (wt.%)的PHBV溶液。一旦經溶解，其在添加及不添加LiBr (0.2 wt%)的情況下被製造，且接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用18 kV之發射極電壓及-8 kV之集極電壓，且亦使用經由線性多發射極注入器的20 ml/h之流動速率。纖維以200 rpm之速度在由30g/m2 可生物降解之非織物纖維素水刺基質覆蓋的旋轉收集器上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有1 g/m2 之表面密度。在生產之後，將30 g/m2 可生物降解非織物纖維素水刺層置放於PHBV沈積物上且在80℃下壓延以使得最終材料如同圖3中所描述之多層過濾器般終止。
   材料 克重(g/m2 )
頂層 纖維素水刺 30
中間層 電紡絲PHBV 1
下層 纖維素水刺 30
運用掃描電子顯微鏡觀測藉由電紡絲產生之PHBV層，從而產生具有大致200 nm與300 nm之間的恆定直徑的纖維微結構，如在圖4中可看到。
根據ISO 20200「塑膠-在實驗室規模測試中在經模擬堆肥條件下對塑膠材料之崩解程度的判定」進行生物崩解測定。根據ISO 20200，PHBV過濾器可被認為係完全可堆肥的，此係由於PHBV奈米纖維層之崩解製程在測定20天之後達到總崩解。此短暫的降解時間很可能與良好呼吸所必需的過濾器之奈米纖維層的較低厚度相關。多層系統在80天內達到完全崩解。
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定給出了為5.5%之值；因此，此過濾器將被分類為FFP2類型(每100個氣溶膠顆粒中，6個或不到6個通過)。實例 7 ： 具有經配置為對稱夾層的依序電紡絲 PVDF 之 FFP3 多層結構系統
中心層係由DMF/丙酮(50:50 wt.)之13重量%的聚二氟亞乙烯(PVDF，分子量為300千道爾頓)製成。一旦溶液經溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用25 kV之發射極電壓以及-10 kV之集極電壓。亦使用經由線性多發射極注入器的10 ml/h之流動速率。纖維在由30 g/m2 非織物PP基質覆蓋的旋轉收集器(200 rpm)上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有1 g/m2 之表面密度。
在相同條件下但在30 g/m2 非織物PP層上之0.5 g/m2 處重複製備此相同層，且其被摺疊類似於對稱夾層，使得結構將如圖4中所展示。此結構改良了過濾效能，此係因為其將纖維固定於基質上且整個過濾器藉由奈米纖維之間的交互作用而黏附。
運用掃描電子顯微鏡觀測藉由電紡絲產生之PVDF層，其中獲得在大致200與300 nm之間的恆定直徑。當此材料隨後在60℃的熱水及清潔劑中之攪拌下進行洗滌循環且接著經乾燥時，由SEM量測之中間層的一致性及形態不受影響。
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定針對1 g/m2 單層纖維結構給出了為2.3%之值(FFP2類型)，而對稱夾層雙層結構給出了0.9%。因此，後一過濾器將被分類為FFP3類型(每100個氣溶膠顆粒，1個或不到1個通過)。
根據EN149:2001+A1:2009 (第8.9點)在謝菲爾德測試頭設備上用恆定呼吸及數位流量計在大致53 cm2 區域內量測抗吸入性。對於30 l/min之氣流，單層之呼吸結果為0.7毫巴；且雙層結構之結果為0.8毫巴，在FFP3認證之限制內。如藉由N95認證所推薦，在85 l/min下進行之吸入測定在N95之限制內針對雙層結構給出值3.3。
實例 8 ： 具有藉由共沈積而電紡絲之若干層的 FFP3 三層結構系統
中心層係由聚二氟亞乙烯(PVDF，分子量為300千道爾頓)及聚丙烯腈(PAN)製成以獲得具有不同纖維直徑之過濾器。為此，使用在DMF/丙酮(50:50 wt.)中13重量% (wt.%)的PVDF溶液及在DMF中11重量% (wt.%)的PAN溶液。一旦兩種溶液溶解，就接著使用藉由共沈積技術之電紡絲來製造纖維薄片，其中兩種類型之纖維藉由兩個線性多發射極注入器而同時電紡絲。為此，18kV及25 kV之發射極電壓，以及-30 kV之集極電壓分別用於PVDF及PAN溶液。亦使用通過並行置放之2個線性多發射極注入器的針對PVDF之13.8 ml/h之流動速率及針對PAN之3 ml/h之流動速率。纖維在由30 g/m2 非織物PP基質覆蓋的旋轉收集器(200 rpm)上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有1.2 g/m2 之表面密度。
在生產之後，將30 g/m2 非織物PP層置放於PAN沈積物上且在80℃下壓延以使得最終材料如同圖5中所說明之多層過濾器般終止。
   材料 克重(g/m2 )
頂層 非織物PP紡黏 30
中間層 共電紡絲之PVDF及PAN 1.2 (1 PVDF + 0.2 PAN)
下層 非織物PP紡黏 30
運用掃描電子顯微鏡觀測藉由電紡絲產生之PVDF及PAN層，其中獲得針對PAN纖維之介於大致150與250 nm之間的恆定直徑及針對PVDF纖維之介於300至500 nm之間的直徑。
根據標準149:2001+A1:2009(第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定針對1.2 g/m2 結構給出了0.6%之值。因此，後一過濾器將被分類為FFP3類型(每100個氣溶膠顆粒，1個或不到1個通過)。實例 9 ： 具有微米纖維之電紡絲三層結構系統
中心層係由由瓦倫西亞市Ocenic Resins SL供應的聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)(PHBV)製成。為此，使用在三氟乙醇(TFE)中6重量%的PHBV溶液。一旦該溶液經溶解，就接著使用電紡絲技術來製造纖維薄片。為進行此操作，使用15 kV之發射極電壓及-8 kV之集極電壓，且亦使用經由多發射極注入器的20 ml/h之流動速率。纖維以200 rpm之速度在由30g/m2 可生物降解之非織物纖維素水刺基質覆蓋的旋轉收集器上且以20 cm之距離沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此層具有0.5 g/m2 之表面密度。在生產之後，將30 g/m2 非織物纖維素水刺層置放於PHBV沈積物上。
運用掃描電子顯微鏡觀測藉由電紡絲產生之PHBV層，從而產生具有900至1200 nm之恆定直徑的纖維微結構，如在圖6中可看到。
根據標準149:2001+A1:2009 (第8.11點)對石蠟油的抗穿透性之測定針對0.5 g/m2 單層結構給出了87%之值，從而證實了獲得用於此特定應用之超細纖維之需要。實例 10 ： 製備光滑超細電紡絲 PVDF 及氧化鋅纖維之殺病毒中間層
在DMF/丙酮混合物(50:50 wt.)中13重量% (wt.%)的PVDF，且具有相對於聚合物3、20及30重量% (wt.%)的ZnO顆粒量的溶液。此等溶液在經電紡絲之前經音波處理3分鐘，且接著沈積纖維。為進行此操作，使用30 kV之發射極電壓及-10 kV之集極電壓，且亦使用經由線性多發射極注入器的5 ml/h之流動速率。此等超細纖維以200轉/分鐘(rpm)之速度在黑色導電無孔聚乙烯基質上之旋轉收集器上沈積。在30℃之溫度及30%之相對濕度下進行該製造。此奈米纖維層具有0.3 g/m2 之表面密度。
在此系統上研究所生產之奈米纖維的殺病毒性質。為此，使用用於判定紡織品中針對貓冠狀病毒株(貓冠狀病毒，慕尼黑株 )之抗病毒活性的標準(ISO 18184: 2019)。此等測定在經認證之MSL溶液提供者設施(MSL Solutions Providers facility)(GB，Bury)處執行。如表4中可觀測到，無抗微生物劑之奈米纖維層展示出一定的抗病毒本質，可能歸因於材料之奈米構形。然而，殺病毒劑之添加展示出最高含量高達97.13%的極強的抑制。殺真菌效應隨著ZnO含量增加並不顯著增加，很可能因為較高含量導致抗微生物顆粒聚結。表 4 . 在接觸2小時之後針對貓冠狀病毒之生長抑制的百分比。
樣本 減小 在接觸 2 小時時之抑制百分比
對照(無ZnO之PVDF纖維) 0.58 73.90%
PVDF纖維+3 wt.%的ZnO 1.44 96.41%
PVDF纖維+ 20 wt.%的ZnO 1.39 95.92%
PVDF纖維+30 wt.%的ZnO 1.54 97.13%
實例 11 ：三層夾層面罩模型
衛生面罩經組裝為夾層狀結構，其中間層由聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)(PHBV)之奈米纖維製成。為此，2.5 wt.%之PHBV及0.05 wt.%之十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)溶解於三氟乙醇(TFE)中。一旦經溶解，則在發射極處之48 kV電壓下及在集極中-25 kV之電壓下將溶液電紡絲。在多注入器發射極中使用340 g/h之流動速率。將纖維沈積於耐綸80網目紡織品上方，克重為20 g/m2 。對於電紡絲，以65 mm/s之速度使用具有卷軸式系統之Fluidnatek LE-500。PHBV層以0.3 g/m2 之密度沈積且具有200至300 nm之纖維直徑。在電紡絲沈積之後，在無溫度之情況下層壓材料，且將耐綸80網目之未經塗佈層施加於PHBV電紡絲網目之頂部上。
根據此材料，使用基於以下階段之工業製程製作面罩：摺疊及平坦化、縫合及切割製程，連同彈性緊固件縫合。
使用分光光度計可見UV (DINKO UV4000)來量測半透明性，從而獲得為3.9 mm- 1 之值。此展示良好半透明性，而允許對話者通過使用者之面罩看到。
藉由使用設備PALAS PMFT1000遵循標準EN149:2001+a1:2009(第8.11點)對石蠟油之抗穿透性測定來進行氣溶膠過濾。所獲得之過濾值為90%，且使用流動速率160 l/min，在100 cm2 區域中之壓降為264 Pa。
在此實例中開發之材料係由認證公司Eurofins來評估，其中細菌過濾效率(BFE)係遵循EN 14683: 2019 + AC: 2019附錄B標準來量測，從而獲得75.6%之值。亦遵循EN 14683: 2019 + AC: 2019標準之附錄C來評估樣本之呼氣，從而獲得39 Pa/cm2之 值。
內層與外層相等的三層安置展示於圖7中。實例 12 ： 具有微穿孔膜之三層夾層面罩模型
衛生面罩以夾層狀結構組裝，其中類似於先前實例用相同材料生產內層及間層，而外層由流延聚丙烯(cast polypropylene，CPP)之透明微穿孔膜製成。此層之厚度為20 µm，且穿孔直徑為1.5 mm，其之間的分離度為3.5 mm且表面密度為30 g/m2 (圖8)。
在無溫度下對層進行層壓，接著使用基於以下階段之工業製程來製作面罩：摺疊及平坦化、超音波接合及切割製程連同彈性緊固件超音波接合。
使用分光光度計可見UV (DINKO UV4000)來量測半透明性，從而獲得為3.5 mm- 1 之值。此展示良好半透明性，而允許對話者通過使用者之面罩看到。
藉由使用設備PALAS PMFT1000遵循標準EN149:2001+a1:2009(第8.11點)對石蠟油之抗穿透性測定來進行氣溶膠過濾。所獲得之過濾值為80%，且使用流動速率160 l/min，在100 cm2 區域中之壓降為218 Pa。實例 13 ：四層夾層面罩模型
衛生面罩以四個層之夾層狀結構組裝，其中運用分子量為500 kDa之聚二氟亞乙烯(PVDF)之奈米纖維來製備間層。為此目的，將13 wt.%之PVDF溶解於DMF/丙酮(50:50重量比)之混合物中。一旦經溶解，則在發射極處之47 kV電壓下及在集極中-25 kV之電壓下將溶液電紡絲。在多注入器發射極中使用360 g/h之流動速率。將纖維沈積於耐綸80網目紡織品上方，克重為20 g/m2 。對於電紡絲，以65 mm/s之速度使用具有卷軸式系統之Fluidnatek LE-500。PHBV層以0.25 g/m2 之密度沈積且具有200至300 nm之纖維直徑。
在電紡絲沈積之後，材料在無溫度下經層壓，且遵循圖9中所示之結構在頂部上施加另一類似層。因此，第二層及第三層藉由電紡絲PVDF形成，該等層中之每一者上的表面密度為0.25 g/m2 。
根據此材料，使用基於以下階段之工業製程製作面罩：摺疊及平坦化、縫合；及切割製程，連同彈性緊固件縫合。
與先前實例相同，半透明性係使用分光光度計可見UV(DINKO UV4000)來量測，從而獲得為2 mm- 1 之值。此展示良好半透明性，而允許對話者通過使用者之面罩看到。
藉由使用設備PALAS PMFT1000遵循標準149:2001+a1:2009(第8.11點)對石蠟油之抗穿透性測定來進行氣溶膠之過濾。所獲得之過濾值為90%，且使用流動速率160 l/min，在100 cm2 中之壓降為184 Pa。
1:外層 1':內層 2:奈米纖維之中間層 2':奈米纖維之中間層 3:外層
圖 1 展示具有光滑超細PVDF纖維之三層結構的圖式。圖 2 展示具有珠狀超細PVDF纖維之三層結構的圖式。圖 3 展示具有光滑超細PHBV纖維之三層結構的圖式。圖 4 展示具有依序電紡絲PVDF之多層結構且作為對稱夾層的圖式。圖 5 展示原位電紡絲超細PVDF及PAN纖維之共沈積的圖式。圖 6 展示具有光滑PHBV微纖維之三層結構的圖式。圖 7 展示三層夾層模型面罩之圖式，其具有包含相同材料之外層(1)及內層(1')，及奈米纖維之中間層(2)。圖 8 展示三層夾層模型面罩之圖式，其具有包含兩種不同類型之材料的外層(3)及內層(1)，及奈米纖維之中間層(2)。圖 9 展示四層夾層模型面罩之圖式，其具有包含相同材料之外層(1)及內層(1')，及兩個奈米纖維之中間層(2)及(2')。

Claims (45)

  1. 一種多層過濾器，其特徵在於其包含至少以下各者： i)    內層(a)，其特徵在於其由聚合過濾材料構成且具有至少0.01 g/m2 之表面密度； ii)   中間層(b)，其特徵在於其由聚合纖維構成，視情況含有抗微生物物質，且具有至少0.01 g/m2 之表面密度； iii)  外層(c)，其特徵在於其由聚合過濾材料構成且具有至少0.01 g/m2 之表面密度。
  2. 如請求項1之過濾器，其中該內層(a)及該外層(c)由具有或不具有功能性添加劑的織物或非織物聚合過濾材料製成。
  3. 如請求項1之過濾器，其中該內層(a)及該外層(c)由非織物聚合過濾材料製成。
  4. 如請求項1之過濾器，其中構成該內層(a)及該外層(c)之該聚合材料獨立地選自聚丙烯、聚醯胺、聚酯、天然纖維、棉及纖維素，或其組合中之任一者。
  5. 如請求項1之過濾器，其中形成該中間層(b)之該等纖維選自聚二氟亞乙烯、聚丙烯腈及聚羥基烷酸酯，或其組合中之任一者。
  6. 如請求項5之過濾器，其中形成該中間層(b)之該等纖維由聚二氟亞乙烯或聚羥基烷酸酯製成。
  7. 如請求項1之過濾器，其中形成該中間層(b)之該等纖維具有小於200千道爾頓之分子量。
  8. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)含有選自以下之抗微生物物質：氧化鋅、銀、硝酸銀、銅、氧化銅、石墨烯、碳微管、碳奈米管、氧化鈦、二氧化鈦、天然提取物、精油、幾丁質、幾丁聚醣、氧化鋁、二氧化矽、環糊精、抗生素、四環素、碘、三氯沙(triclosan)、洛赫西定(chlorhexidine)、阿昔洛韋(acyclovir)及環丙沙星(cyclofloxacin)或其組合。
  9. 如請求項8之過濾器，其中該抗微生物物質為氧化鋅或氧化鋅奈米粒子。
  10. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)不含有抗微生物物質。
  11. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)之該等纖維為具有光滑或珠狀形態之纖維。
  12. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)包含額外層(b')，該額外層之特徵在於其係由與被其沈積在上面之該第一中間層(b)之彼等聚合纖維相同的聚合纖維構成。
  13. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)包含額外層(b')，該額外層之特徵在於其係由與被其沈積在上面之該第一中間層(b)之彼等聚合纖維不同的聚合纖維構成。
  14. 如請求項1之過濾器，其中構成該等中間層(b)及(b')之該等聚合纖維的形態相同。
  15. 如請求項1之過濾器，其中構成該等中間層(b)及(b')之該等聚合纖維的形態不同。
  16. 如請求項1之過濾器，其中該等中間層(b)及(b')之表面密度相同。
  17. 如請求項1之過濾器，其中該等中間層(b)及(b')之表面密度不同。
  18. 如請求項1之過濾器，其中該額外中間層(b')之纖維具有直徑大於500 nm之纖維形態。
  19. 如請求項1之過濾器，其中該中間層(b)之表面密度之分散度小於10%。
  20. 如請求項1之過濾器，其中構成該等過濾器層之該等聚合物在環境中可堆肥及/或可生物降解。
  21. 如請求項1之過濾器，其中該過濾器以任何可能的組態堆疊在自身上或堆疊在其他商用多層或單層過濾器上。
  22. 一種獲得如請求項1之多層過濾器之方法，其包含以下步驟： i)    將該中間層(b)沈積於該內層(a)上； ii)   視情況，將一或多個額外中間層(b')沈積於該中間層(b)上； iii)  將該外層(c)與該等先前層層壓。
  23. 一種獲得如請求項1之多層過濾器之方法，其包含以下步驟： i)    將該中間層(b)沈積於該內層(a)上； ii)   將該額外中間層(b')沈積於該外層(c)之內面上； iii)  層壓該等先前層，使得層(b)及(b')接觸。
  24. 如請求項22之方法，其中在無任何類型之黏著方法的情況下，藉由簡單地將該等層(a)、(b)、(b')及(c)接合在一起來層壓該等層。
  25. 如請求項22之方法，其中將層(a)、(b)、(b')及(c)沿著其表面部分地或完全層壓，從而藉助於選自以下之方法在該內層(a)下方及/或在該外層(c)上方添加防護層或不添加防護層：用壓力壓延，無壓力壓延，藉由超音波、縫合及熱封施加達到熔點之黏著劑。
  26. 如請求項1之過濾器，其用於製造醫療呼吸機及可洗或不可洗的防護面罩。
  27. 如請求項1之過濾器，其中該等面罩係手術或衛生面罩。
  28. 如請求項1之過濾器，其用於製造個人防護設備。
  29. 如請求項1之過濾器，其用於製造通用工業空氣或液體過濾設備。
  30. 一種面罩，其含有如請求項1之過濾器，其中該面罩防禦微生物。
  31. 如請求項30之面罩，其中該微生物為選自伊波拉(Ebola)病毒、疱疹病毒、流行性感冒病毒、人類呼吸道融合性病毒、水痘、SARS-CoV及其衍生物以及引起COVID-19之SARS-CoV-2的病毒。
  32. 如請求項30之面罩，其中該面罩係半透明臉部面罩且其中該過濾器包含： (i)與皮膚接觸之內層(a)，其特徵在於其由聚合網狀織物構成，該聚合網狀織物具有1至90 µm之紗線直徑、介於100與400 µm之間的網孔或每直線吋孔數(網目)為40至150，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度； (ii)至少一個中間層(b)，其特徵在於其由聚合纖維構成，視情況含有抗微生物物質，具有介於20至500 nm之間的直徑的纖維形態及介於0.01與1 g/m2 之間的表面密度；及 (iii)外層(c)，其特徵在於其由以下各者構成： 聚合網狀織物，其具有1至90 µm之紗線直徑，及介於100與400 µm之間的網孔或每直線吋孔數(網目)為40至150，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度；或 微穿孔透明聚合膜，其具有介於10與50 µm之間的厚度、具有介於0.1與5 mm之間的穿孔直徑、介於0.5與6 mm之間的穿孔之間的距離，以及介於5與50 g/m2 之間的表面密度。
  33. 如請求項32之面罩，其中該過濾器包含兩個中間層：中間層(b`)及額外層(b``)，該等層具有小於或等於0.5 g/m2 之表面密度。
  34. 如請求項32之面罩，其中形成該內層(a)及/或該外層(c)之該聚合網目的聚合材料選自聚丙烯、聚醯胺、聚乳酸、聚羥基烷酸酯、生物聚酯、聚對苯二甲酸伸乙酯、棉及纖維素材料或其任何組合。
  35. 如請求項34之面罩，其中形成該內層(a)及該外層(c)之該聚合網目的該等聚合材料選自耐綸、聚乳酸、纖維素膜及流延聚丙烯膜。
  36. 如請求項32之面罩，其中該內層纖維材料(b)選自聚二氯亞乙烯、聚二氟亞乙烯、聚乳酸、聚丙烯腈及聚羥基烷酸酯或其任何組合。
  37. 如請求項32之面罩，其中該等內層纖維材料(b)含有用以減小纖維直徑及/或賦予抗微生物性質之添加劑。
  38. 如請求項37之面罩，其中用以減小纖維直徑及/或賦予抗微生物性質之該等添加劑為CTAB或氧化鋅。
  39. 如請求項32之面罩，其特徵在於其具有超過70%之細菌過濾效率。
  40. 如請求項32之面罩，其特徵在於其具有超過75%之氣溶膠過濾效率。
  41. 如請求項32之面罩，其特徵在於其在160 l/min之空氣流動速率下量測時，在100 cm2 中具有小於600 Pa之呼氣壓力差。
  42. 如請求項32之面罩，其中該面罩防禦氣溶膠及微生物。
  43. 如請求項42之面罩，其中該微生物為選自伊波拉病毒、疱疹病毒、流行性感冒病毒、人類呼吸道融合性病毒、水痘、SARS-CoV及其衍生物以及引起COVID-19之SARS-CoV-2的病毒。
  44. 一種通用工業空氣或液體過濾設備，其含有如請求項1之過濾器，其中該過濾器去除微生物。
  45. 如請求項44之過濾設備，其中該微生物為選自伊波拉病毒、疱疹病毒、流行性感冒病毒、人類呼吸道融合性病毒、水痘、SARS-CoV及其衍生物以及引起COVID-19之SARS-CoV-2的病毒。
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