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小小的口罩大大的科学

  随着新型冠状病毒肺炎(简称新冠肺炎)疫情的蔓延,世界各国纷纷采取积极的应对措施。一时间,口罩这种常见而不常用的防护用品成了民众居家和外出的必备之物,很多人面临的却是“一罩难求”的紧张局面。疫中各国医院几乎都发出过口罩等防护物资库存告急的求助。

  口罩已成为需求量远超出供应量的稀缺医疗物资之一。那么,小小的口罩是怎么做成的?它是如何为人类健康保驾护航的?我们来谈谈口罩的前世今生。

  口罩的历史比较悠久。早在1275年,著名的意大利旅行家马可·波罗在他所著的《马可·波罗游记》中提及:伺候皇帝饮食的人都佩戴着防止气息传递的由蚕丝与黄金线织成的薄巾。这些华美的薄巾可能是世界上最早的口罩。

  1897年,德国医生扬·米库利兹·拉德奇建议外科医生在做手术时尽量戴口罩以减少感染。这是口罩在使用价值方面的一个转折点。

  20世纪20年代后,口罩在医疗行业中得到推广使用,并逐渐发展成为一种以保护身体健康为目的的呼吸防护用品:预防某些呼吸道传染性微生物传播,阻挡有害气体或粉尘进入佩戴者口鼻等。

  目前,大众防护用的医用口罩仍然是紧俏货,部分原因是缺口罩核心材料—— 熔喷无纺布。

  医用口罩一般是由多层无纺布材料组成。无纺布是指非纺织的布,由定向或随机的纤维构成,其原料全部为聚丙烯(PP)。

  医用口罩通常有三层:外层为阻水层、中间层为核心过滤层、内层为吸湿层。其中,外层采用的是纺粘无纺布,表面做了防水处理,主要用于隔绝液体的渗透;中间层采用的是熔喷无纺布,表面经过驻极处理,用来过滤病菌、病毒;内层采用的是具有吸湿功能的纺粘无纺布。

  熔喷无纺布堪称口罩的“心脏”。它是一种以高熔融指数的聚丙烯为原材料,由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜,纤维直径为0.5~10微米。

  新型冠状病毒的直径为0.1微米左右,其传播途径主要有飞沫传播和接触传播。飞沫的直径为5微米左右,熔喷无纺布能隔绝大多数的飞沫。此外,当含有病毒的飞沫靠近熔喷无纺布时,会被静电吸附在表面而无法透过。这就是熔喷无纺布隔绝病毒的原理,它本质上是一种纤维过滤器。

  首先,化工厂会从原油中提炼出聚丙烯颗粒。然后,聚丙烯颗粒经过短纺工艺(多孔、低速、连续化工艺)得到聚丙烯短纤维,纤维长度为1.5~200毫米。

  2019年,我国国内聚丙烯纤维的产量约为170万吨,其中能用于医用口罩的高熔聚丙烯纤维约为95万吨。为了应对疫情,部分企业已经开始调整生产计划,不断增产高熔聚丙烯纤维料。

  聚丙烯纤维需要经熔喷法被制成丝。熔喷法是借助高速热气流,使刚挤出的高聚物熔体迅速高倍拉伸而固化成形的纺丝方法。

  熔喷材料是靠自身纤维热熔而成。熔喷法生产的无纺布,由于纤维的随机分布和隔层交叉排列,形成了多弯曲通道结构,外界的颗粒物因与纤维产生碰撞而被滞留。

  医用口罩的过滤机制包括布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降和静电吸附等。其中,前四种是熔喷法生产的无纺布具有的共同特性,过滤效率约为35%。由于医用口罩对过滤的要求更高,因此需要对熔喷无纺布进行驻极处理,也就是让纤维带上电荷,使其可通过静电来捕获携带病毒的飞沫、气溶胶等。

  纤维的电荷密度越高,纤维表面就因同性相斥而越开阔,其对微粒的捕获能力也越强。因此,熔喷无纺布过滤材料必须经过驻极处理,才能在不改变呼吸阻力的前提下实现较高的过滤效率(可达95%以上),以有效防范病毒。而且,驻极电压越高,过滤效率就越高。一般驻极电压为30~60千伏,驻极时间为20秒以上。

  目前,口罩的生产一般采用自动化生产线。一家小型口罩生产厂的设备主要包括:口罩成型机、口罩压合机、口罩切边机、呼吸阀冲孔机、鼻梁条线贴合机、耳带点焊机、呼吸阀焊接机等。一条全自动化口罩生产线

  工厂生产出来的医用口罩还需要被放置在400毫克/升的环氧乙烷环境中,以使其表面的微生物等失去活性。

  经环氧乙烷消毒后的医用口罩需要在静置7天后,再经密封包装,才能进入销售渠道。