林漢京 (1.《化工管理》雜志社有限公司，北京 100101；2. 中國科學(xué)技術(shù)館志愿服務(wù)總隊(duì)，北京 100012)

0 引言

2020 年新年伊始，新型冠狀病毒肺炎在武漢爆發(fā)，防疫工作刻不容緩。習(xí)近平總書記做出重要指示“緊緊依靠人民群眾堅(jiān)決打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)”[1]。熔噴無紡布是一種高效、新型的化學(xué)纖維過濾材料，具有良好的機(jī)械阻截和靜電吸附有害致病細(xì)微顆粒能力。正確佩戴以熔噴織物為核心材料的防護(hù)口罩可有效防御新冠病毒。本文介紹熔噴無紡布的組成與結(jié)構(gòu)特性和醫(yī)學(xué)防護(hù)原理，對公眾普及正確使用防護(hù)口罩的相關(guān)知識(shí)。

圖1 燕山石化公司緊急試產(chǎn)成功聚丙烯熔噴無紡布專用料

1 “為了口罩料，拼了！”

全國各地打響了防控新冠疫情的阻擊戰(zhàn)、總體戰(zhàn)。李克強(qiáng)總理專程到北京市的口罩企業(yè)督戰(zhàn)，他強(qiáng)調(diào)口罩對醫(yī)務(wù)人員來說就是“武器”，對老百姓來說就是“盾牌”。要求力爭早日實(shí)現(xiàn)全國日產(chǎn)過億只。然而一時(shí)間，醫(yī)用防護(hù)用品急缺，醫(yī)用口罩關(guān)鍵材料熔噴專用聚丙烯樹脂粒料更是直接告罄?！皯?zhàn)疫”才剛剛開始，防控阻擊就有“無米之炊”的危險(xiǎn)?！盀榱丝谡至希戳?！”中國石化燕山石油化工有限公司急國家防疫之所急，緊急開展專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，用最快的速度試產(chǎn)成功聚丙烯熔噴無紡布專用料向下游廠家供貨[2]，見圖1。上海石化金昌公司也開足馬力全力生產(chǎn)，向市場批量投放熔噴專用料；另一家化工央企中國化工集團(tuán)所屬天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院積極提供醫(yī)用級(jí)熔噴材料生產(chǎn)全套技術(shù)和設(shè)備，馳援醫(yī)用材料生產(chǎn)企業(yè)迅速升級(jí)擴(kuò)產(chǎn)。

中國化工集團(tuán)旗下中昊晨光化工研究院創(chuàng)新性地運(yùn)用為航天、航空領(lǐng)域開發(fā)研究的新型材料e-PTFE 微孔膜，制作過濾性能高效、可重復(fù)使用的防護(hù)口罩。這款被譽(yù)為“春味”的新型口罩一經(jīng)問世便受到廣泛關(guān)注。近日，這款口罩通過美國和歐盟有關(guān)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。中昊晨光化工研究院將第一批產(chǎn)品首先向中國化工設(shè)在海外的企業(yè)提供。在新冠疫情全球爆發(fā)的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)下，8.7 萬名中國化工的外籍員工的個(gè)人防護(hù)優(yōu)先得到妥善保障。參見本刊封面照片[2]。中國化工人在國家和人民最需要的關(guān)鍵時(shí)刻，履行國有企業(yè)職工和科研工作者的社會(huì)責(zé)任。實(shí)現(xiàn)總書記的要求，打好防控新冠疫情的人民戰(zhàn)爭有了堅(jiān)實(shí)的保障。

2 熔噴無紡布，防護(hù)口罩的“心臟”

圖2 高倍放大后的熔噴無紡布微觀結(jié)構(gòu)

說起來，熔噴無紡布技術(shù)算得上一項(xiàng)“軍轉(zhuǎn)民”技術(shù)，它起源于20 世紀(jì)50 年代[3]。美國為了收集高層大氣中的放射性粒子研發(fā)超細(xì)過濾材料，集合了化學(xué)工業(yè)的高分子材料加工技術(shù)與紡織工業(yè)的無紡織物制造技術(shù)，在材料學(xué)科領(lǐng)域形成一項(xiàng)高效化學(xué)無紡織物過濾材料的全新技術(shù)。圖2 是電子顯微鏡下的聚丙烯熔噴無紡布微觀結(jié)構(gòu)。

簡單地說，熔噴技術(shù)就是將熔融形態(tài)的高聚物在高速空氣動(dòng)力的作用下達(dá)到超細(xì)纖維化，在冷卻的同時(shí)利用自身的熱粘結(jié)性實(shí)現(xiàn)適度粘連；采用駐極技術(shù)，利用靜電的同性相斥原理使三維無紡織物的密度適宜孔隙均勻。新型高效的熔噴無紡布過濾材料最適宜做衛(wèi)生材料，它的誕生在一夜之間把醫(yī)務(wù)界使用上百年的紗布口罩徹底淘汰[4]。圖3 是中國人民解放軍醫(yī)療隊(duì)員佩戴防護(hù)口罩，準(zhǔn)備登機(jī)馳援武漢執(zhí)行救治任務(wù)。

醫(yī)學(xué)防護(hù)等級(jí)根據(jù)要求一般分為三級(jí)。醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩等平面口罩(三層織物構(gòu)成，外觀多呈淺藍(lán)色)可以用于一級(jí)防護(hù)，主要針對日常環(huán)境中攜帶病原體飛沫的有害傳播。而對于在防疫一線的醫(yī)務(wù)人員和專業(yè)人員來說一級(jí)防護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，面對高密度病毒氣溶膠的近距離威脅必須進(jìn)行三級(jí)防護(hù)，需要佩戴N95(美國國家職業(yè)安全與健康研究所提出的標(biāo)準(zhǔn)，在NIOSH 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測條件下，對粒徑大于等于0.3μm 的顆粒阻隔率達(dá)到95%以上)、KN95 這樣的立體構(gòu)型防護(hù)口罩(多層織物構(gòu)成)[5-7]。以熔噴無紡布為核心材料的N95 等口罩所用的材料和結(jié)構(gòu)并無太大區(qū)別，提高防護(hù)能力的關(guān)鍵措施，是增加口罩中間熔噴無紡布的層數(shù)。圖4 是醫(yī)學(xué)防護(hù)口罩SMS 結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 醫(yī)學(xué)防護(hù)口罩SMS結(jié)構(gòu)示意圖

在口罩中間的防護(hù)層(簡稱M 層)就是聚丙烯熔噴無紡布，口罩的正、反兩面是對防護(hù)層提供包覆和支撐，并防止水汽侵入的紡粘層(簡稱S 層)。根據(jù)防護(hù)等級(jí)的要求M 層可以放置一到多層。如果是一級(jí)防護(hù)用口罩(如：醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩)，一層M 層就夠了；而像N95 這樣的用于三級(jí)防護(hù)的口罩，M 層可能要放三層甚至更多。當(dāng)然，M 層層數(shù)越多，口罩的透氣性越差，具體的產(chǎn)品會(huì)各有不同。這樣一說就不難理解，為什么稱熔噴無紡布是防護(hù)口罩的“心臟”了。

需要注意的是，裝有呼氣閥的口罩雖然降低了佩戴者的呼氣阻力，但是對佩戴者的呼吸幾乎沒有“管理”作用，不利于公共防護(hù)。因此這類口罩只適合防塵、防霧霾等非醫(yī)學(xué)防護(hù)[8]，不適合在醫(yī)院或其他病毒高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)使用。

3 兩大御敵本領(lǐng)：物理攔截與靜電吸附

熔噴布熔噴無紡織物的工藝技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，其產(chǎn)品也廣泛使用于社會(huì)生活與生產(chǎn)的很多領(lǐng)域。醫(yī)用口罩(包括用于3 級(jí)防護(hù)的N95 口罩)所用的熔噴布主要以聚丙烯(PP)為原料。

眾所周知，傳統(tǒng)的過濾材料主要依賴織物纖維的縫隙實(shí)現(xiàn)過濾和通氣的效能，但過濾雜質(zhì)與通透空氣是一對矛盾。多數(shù)病毒的物理形態(tài)在納米尺度(單個(gè)病毒大約10nm，10-8m),傳統(tǒng)材料基本不具備攔截功能，而先進(jìn)的熔噴織物依靠對細(xì)小顆粒優(yōu)異的攔截功能和獨(dú)特的吸附功能，具備比傳統(tǒng)口罩高百倍的防護(hù)效能[9]。這主要?dú)w功于熔噴織物的兩大御敵本領(lǐng)：物理攔截與靜電吸附。圖5 熔噴纖維防護(hù)效能的示意圖。

圖5 熔噴纖維防護(hù)效能的示意圖

3.1 物理攔截

過濾材料依靠紡織或非織造工藝實(shí)現(xiàn)纖維在空間的密集，從而對流動(dòng)的空氣形成“阻塞”效應(yīng)，空氣中較大顆?；蚴且?yàn)榕c纖維碰撞、截停，或是因纖維網(wǎng)格狹縫被“攔阻”在過濾材料的一側(cè)。某些顆?？赡鼙蛔枞谶^濾材料的孔隙中。增加攔截效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵是提高纖維的細(xì)度和空間密度，即纖維的直徑要盡可能細(xì)小，纖維間的孔隙盡可能密集，以有利于攔截更細(xì)微的顆粒。采用數(shù)字控制的先進(jìn)熔噴裝置可以連續(xù)制造纖維直徑達(dá)到亞微米級(jí)(0.1～2μm)，可形成孔隙微細(xì)、密集度大、縫隙均勻的三維熔噴織物。攔阻效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然纖維過濾材料，可以有效攔阻含病毒的飛沫和其它粒徑在微米量級(jí)的有害顆粒。

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的攔截能力。熔噴織物的物理攔截作用基本可以勝任。然而，孔隙細(xì)小到一定程度口罩的透氣作用就會(huì)失效。因此單純依靠攔截過濾，對呈現(xiàn)氣溶膠狀態(tài)傳播的有害微生物本體攔阻作用不大，防護(hù)效果不能令人滿意。

3.2 靜電吸附

靜電有對輕微物體吸附的功效，熔噴織物主要依賴靜電效應(yīng)吸附微顆粒的。眾所周知，棉纖維等傳統(tǒng)的天然纖維產(chǎn)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。而采用非極性高分子聚合物(如聚乙烯、聚丙烯等)制作的纖維極易產(chǎn)生靜電，這一點(diǎn)，大家可以對比穿著純棉服裝和化纖服裝的感受。聚丙烯(PP)具有較高的電阻率,因此通過靜電感應(yīng)或摩擦產(chǎn)生的電荷易積累而不易散失，纖維表面單位面積承載電荷的容量較大,是具有長久保留電荷能力的駐極電介質(zhì)材料首選。熔噴纖維直徑超細(xì)，更是靜電產(chǎn)生和保持的絕佳材料，使其“天生”就具備極好的吸附效能。科研工作者對如何產(chǎn)生和保持過濾材料的靜電效能做了大量的工作，目前熔噴無紡布生產(chǎn)廠家成熟運(yùn)用電暈技術(shù)使熔噴織物“駐極化”，從而帶有持久的靜電荷[10]。

需要提到的是圖6 展示的活性炭口罩，也有吸附作用。但它主要依賴的是化學(xué)吸附(分子間力作用)，不是靜電吸附，吸附的對象主要是小分子化學(xué)物質(zhì)。因此它適合用于針對環(huán)境中有害化學(xué)氣體或者異味對人體的危害，而活性炭的多孔結(jié)構(gòu)易于滯留有害微生物。因此此種口罩不適于用來針對飛沫或病毒氣溶膠等的醫(yī)學(xué)防護(hù)[11]。

圖6 活性炭口罩不適用于醫(yī)學(xué)防控

病毒、細(xì)菌等微生物本體由于自身有機(jī)形態(tài)的構(gòu)成，在體表都有一定的負(fù)電荷，這正有利于利用熔噴纖維表面的正電荷吸附凈化。厚度不足0.1mm 的熔噴無紡布，可對0.3μm 的氯化鈉顆粒物過濾效果大于70%。由于熔噴織物有了靜電吸附這種“獨(dú)門絕技”，其當(dāng)仁不讓地成為醫(yī)學(xué)防護(hù)口罩材料的首選。

4 正確佩戴，物盡其用

4.1 佩戴注意事項(xiàng)

熔噴無紡織物技術(shù)為人類戰(zhàn)勝新冠疫情提供了前所未有的防護(hù)保障，在佩戴使用口罩時(shí)必須遵循嚴(yán)格的要求。圖7 展示了防護(hù)口罩的正確佩戴方法。除了應(yīng)正確佩戴外，還應(yīng)特別注意要保持口罩的干燥。水是靜電的去除劑，口罩遇水或潮濕后，熔噴材料的靜電荷就會(huì)損失，口罩的防護(hù)功能衰減。

圖7 防護(hù)口罩的正確佩戴方法

它地區(qū)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。但是要注意一般不建議用水或酒精洗滌，也不要高溫蒸煮口罩。可簡單進(jìn)行消殺(比如：紫外線照射或陽光曝曬)后再次使用。

4.2 科學(xué)再生，“一次性”口罩可復(fù)用

對于口罩的再次使用方法也要科學(xué)合理。最近，北京化工大學(xué)陳建峰院士(中國工程院院士、北京化工大學(xué)副校長)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對普通一次性醫(yī)用平面無紡布口罩進(jìn)行二次荷電處理，可以使其再生靜電效應(yīng)而達(dá)到可重復(fù)使用，參見圖6。由此提出了“口罩荷電再生重復(fù)使用”技術(shù)方法及其導(dǎo)則。即：將使用后的一次性醫(yī)用無紡布口罩置于56℃以上熱水泡30min 消毒處理(參見新型冠狀病毒肺炎防控方案(第四版)[12])，隨后采用電吹風(fēng)機(jī)等家用電器設(shè)施對“失效”的口罩進(jìn)行吹干和再生荷電處理?？谡种腥蹏姴牧鲜茈姶碉L(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱空氣摩擦，或受靜電電場的感應(yīng)重新獲得靜電電荷。研究人員介紹，試驗(yàn)測試表明該技術(shù)方案對水洗后的口罩進(jìn)行二次荷電處理，可恢復(fù)熔噴織物接近原有攜帶靜電量的90%，使口罩重新具備靜電吸附功效[13]。這為在非常時(shí)期解決口罩再生重復(fù)使用問題，提供的一種簡便易行的方法。研究人員特別強(qiáng)調(diào)，再生口罩不推薦密切接觸患者的人群、醫(yī)護(hù)人員及實(shí)驗(yàn)室工作人員使用，但是廣泛適用于較低風(fēng)險(xiǎn)場所人員使用。

5 結(jié)語

新材料技術(shù)與醫(yī)學(xué)技術(shù)、環(huán)境技術(shù)、信息技術(shù)等科學(xué)技術(shù)相互融合發(fā)展，讓人類健康更有保障。曙光在前，我們有信心、有能力在黨中央的正確領(lǐng)導(dǎo)下戰(zhàn)勝新型冠狀肺炎疫情。中國人民前進(jìn)的腳步不會(huì)由于疫情的困擾而停滯。