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戰疫利器——熔噴纖維與防護口罩
發布日期:2020/3/3 16:00:52  來源:中國數字科技館  

熔噴無紡布,口罩的“心臟”

熔噴無紡布技術起源于20世紀50年代,美國為了收集高層大氣中的放射性粒子研發超細過濾材料,開發出一種將熔融狀態的高分子聚合物在溫度和氣流的作用下,直接生成無紡織物的技術。這種技術集合了化學工業的高分子材料加工技術與紡織工業的無紡織物制造技術,在材料學科領域形成制作新型高效化學無紡織物過濾材料的全新技術。簡單地說,熔噴技術就是將熔融狀態的高聚物在高速空氣動力的作用下達到超細纖維化,與此同時高聚物熔體利用自身的熱粘結性實現互相粘連,從而形成具有三維空間形態的無紡織物。

熔噴無紡布作為新型高效過濾材料是口罩的“心臟”,相對于傳統過濾材料,對空氣過濾和凈化效能成百倍的提高,是目前進行生物衛生防護的最適宜的材料(活性炭等類似材料可用于防護化學物質,對細菌和病毒沒有過濾凈化功能)。它的誕生居然在一夜之間把醫務界使用上百年的紗布口罩徹底淘汰。醫學防護根據防護要求的等級一般分為三級。我們佩戴最多的那種淺藍色的“外科防護口罩”可以用于一級防護,主要針對的是在日常生活和生產中對含有病原體的飛沫的有害傳播。而對于在防疫一線的醫務人員和專業人員來說一級防護遠遠不夠,必須進行三級防護需要佩戴N95口罩(對粒徑0.075μm±0.02μm的非油性顆粒物過濾效率達到95%以上)、KN95這樣的專用防護口罩。其實二者所用的材料和結構并無太大區別,提高防護能力的關鍵措施,是增加口罩中間的以熔噴無紡布為材料的過濾層。圖1是醫學防護口罩SMS結構示意圖。

熔噴纖維;防護口罩

圖1醫學防護口罩SMS結構示意圖

在口罩中間的防護層(簡稱M層)就是聚丙烯熔噴無紡布,口罩的正、反兩面是紡粘層(簡稱S層)。根據防護等級的要求M層可以放置1到多層。如果是一級防護用口罩,使用一層M層就夠了;而像N95這樣的三級防護口罩,M層可能要放三層熔噴無紡布甚至更多。當然,M層的層數越多,口罩的透氣性越差,具體的產品會各有不同。這樣一說,大家就不難理解,為什么稱熔噴無紡布是口罩的“心臟”了吧。

那么,熔噴纖維為什么能夠攔截住比它直徑細微得多的病毒呢?

兩大御敵本領:攔截與吸附

熔噴布熔噴無紡織物的工藝技術已經非常的成熟,其產品也廣泛使用于社會生活與生產的很多領域。醫用口罩(包括用于3級防護的N95口罩)所用的熔噴布主要以聚丙烯(PP)為原料。熔噴纖維的直徑是確保產品防護性能的關鍵。采用數字控制的先進熔噴裝置可以連續制造纖維直徑達到亞微米級(0.1~2μm),厚度和疏密度可控、孔隙均勻的三維熔噴織物。


眾所周知,傳統的過濾材料主要依賴織物纖維的縫隙實現過濾和通氣的效能。但是,過濾雜質與通透潔凈空氣是一對矛盾。由于病毒的物理形態在納米尺度(nm,10-9m),而傳統口罩過濾材料基本不具備攔截功能,對病毒微粒的防護都形同虛設。先進的熔噴織物依靠對細小顆粒優異的攔截功能和獨特的吸附功能,具備比傳統口罩高上百倍的防護效能。圖2是熔噴纖維防護效能的示意圖。

熔噴纖維;防護口罩

圖2熔噴纖維防護效能的示意圖

攔截:過濾材料依靠紡織或非織造工藝實現纖維在空間的密集,并形成一定的網狀孔隙,從而對流動的空氣形成“阻塞”效應,空氣中較大顆粒或是因為與纖維碰撞,或是因纖維網格阻擋被“攔截”在過濾材料的一側。對于空氣中的非生物顆粒(如:沙塵、PM2.5等),口罩的凈化效能主要看過濾材料單攔截能力。

吸附:對于生物防護口罩來說,由于病毒等病原體物理尺度極小,依靠口罩纖維縫隙的攔截很難把大部分有害物凈化掉,因此靜電吸附效能就成為口罩防護功能的一個不可或缺的關鍵性特性。傳統的天然纖維產生和攜帶靜電的能力都很弱,因此紗布口罩基本沒有吸附效能。而非極性高分子聚合物熔噴纖維是靜電產生和保持的絕佳材料(這一點,大家可以對比穿著純棉服裝和化纖服裝的感受),使其“天生”就具備極好的吸附效能。科研工作者對如何產生和保持過濾材料的靜電效能做了大量的工作,在口罩制作中利用機械或電子的手段,將靜電電荷富集到熔噴材料中。

由于有了靜電吸附這種“獨門絕技”,同時熔噴技術可以制作比天然纖維直徑小一個數量級的化學纖維,也有利于化學吸附的產生。聚丙烯熔噴無紡布當仁不讓地成為醫學防護口罩材料的首選。有人曾經做過實驗,一層熔噴無紡布口罩的防護效能輕松超過60層紗布口罩!

勝利就在前方

熔噴無紡織物技術為人類戰勝新冠疫情提供了有力武器,在佩戴使用口罩上也要注意特殊的要求,這就是一定要保持口罩的干燥。由于水是靜電的去除劑,口罩遇水或潮濕后,熔噴材料的靜電會消失,降低其對細菌病毒等微粒的防護功能。所以,對于一線的醫務工作者和專業人員,要堅持口罩一次性使用原則;而對于其它地區的一般人員來說,佩戴口罩主要是防飛沫,口罩不必須一次性使用。

新材料技術與醫學技術、環境技術、信息技術等科學技術相互融合發展,讓人類健康更有保障。我們有信心、有能力在黨中央的正確領導下,堅決戰勝新型冠狀病毒造成的嚴重疫情。中國人民前進的腳步也不會由于疫情的困擾而停滯。

(本文部分材料,參考引用網絡信息。在此一并致謝。)


作者簡介:林漢京(1955.1~),北京化工大學高分子材料專業本科畢業、首都經貿大學產業經濟學專業在職研究生畢業,教授級高級工程師,先后曾任中國人民解放軍總后軍需生產技術研究所研究室副主任、中國化工集團某企業軍工辦副主任、科技部副主任、《化工管理》雜志社編輯部主任。中國科學技術館2013年度十佳專家志愿者。

本文來自:中國數字科技館


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