化學(xué)行之醫(yī)用口罩核心
——熔噴布的“前世今生”

戴躍華

(江蘇省鎮(zhèn)江第一中學(xué))

2020年注定是不平凡的一年,疫情的突然暴發(fā),讓大家都措手不及,中華大地疫情肆虐,國家立即采取有效的防疫措施,疫情很快得到有效地控制。經(jīng)過黨和全國人民的不懈努力,近三年來,中國有效處理了百余起聚集性疫情和多次全球疫情沖擊,保護了人民的生命安全和身體健康,感染率、重癥和死亡人數(shù)保持在全球低水平狀態(tài)。隨著國家有效的診療技術(shù)和藥物開發(fā),救治、流調(diào)等能力持續(xù)提升,防控應(yīng)急機制更加完善。加上疫苗研發(fā)與接種也取得積極進展,全人群疫苗完全接種率超過90%,積極構(gòu)筑免疫屏障。我們終于等來了奧密克戎變異株致病力的減弱,人群面臨的整體健康風(fēng)險趨于緩和。為了積極應(yīng)對當(dāng)下疫情防控面臨的新形勢新任務(wù),國家和人民也需要休養(yǎng)生息,所以國家正采取更具針對性、可操作性的防控舉措,“走小步不停步”,逐步放開國門,緊抓經(jīng)濟發(fā)展,提高國家的綜合國力。

另從國家疾控中心獲悉,有關(guān)研究表明,科學(xué)正確佩戴口罩可以總體降低80%以上的感染風(fēng)險,所以科學(xué)佩戴口罩是阻斷新冠病毒傳播的有效方式之一。在疫情防控的過程中,個人防護用品——口罩,可以說是一夜之間便從以往大家不太關(guān)注的小角落,成為了大家競相追捧的“大明星”,作為最重要的防護裝備之一的醫(yī)用外科口罩、KN95口罩更是“千金難求”。今天就來一起走近我們的健康衛(wèi)士——醫(yī)用外科口罩,去了解它的核心——熔噴布(也稱為熔噴無紡布)的“前世今生”吧!

在疫情防控的這3年期間,有效幫助我們抵擋病菌入侵的第一道防線就是口罩,主要指的是醫(yī)用外科口罩以及KN95口罩。醫(yī)用外科口罩和KN95口罩對于細(xì)菌過濾性能的要求比一般口罩的要高:一般情況下,對非油性顆粒的過濾效率達(dá)到30%以上,對細(xì)菌的過濾效率不低于95%。同時醫(yī)用外科口罩對血液、體液和飛濺物的濺出起到防護作用,也就是需要具備防滲透性。

圖1 醫(yī)用外科口罩結(jié)構(gòu)簡易圖(圖片來源:搜狐《口罩的結(jié)構(gòu)解剖》)

從分析中可以看出,口罩的主要材料都用到了聚丙烯,那聚丙烯來自何處呢?那我們就要去探索它的前世,被稱為“工業(yè)的血液”的石油。

石油是古代海洋或湖泊中的生物經(jīng)過漫長的演化形成的化石燃料,是不可再生資源。它是由大量的碳?xì)浠衔?及少量硫化合物)所組成的混合物。由于成分較多,需要通過分餾的方法將石油中的碳?xì)浠衔镉枰苑蛛x。從圖2、圖3中我們可以看出,通過分餾的方法可以制成不同用途的石油產(chǎn)品。

圖2 石油分餾產(chǎn)品示意圖

圖3 石油分餾產(chǎn)品不同用途示意圖

從圖4、圖5中可以看出,通過加聚反應(yīng)可以形成三種聚丙烯:等規(guī)聚丙烯、間規(guī)聚丙烯、無規(guī)聚丙烯。由于在等規(guī)聚丙烯中,甲基原子團都處在聚合物骨架的同一側(cè),這一結(jié)構(gòu)很容易形成結(jié)晶態(tài)(利用這一特性,便可以進一步加工形成聚丙烯晶體),正是因為這種獨特的結(jié)晶性賦予聚丙烯良好的抗溶劑和抗熱性能,因此,等規(guī)聚丙烯形成的晶體是最常見的形式。

圖4 丙烯的加聚反應(yīng)

圖5 加聚反應(yīng)形成的三種聚丙烯

以等規(guī)聚丙烯為原料,進一步進行融化、塑形而成的合成纖維——聚丙烯纖維,不僅具有普通纖維質(zhì)地輕便、強度高、彈性好、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點,還具有其他纖維不具備的電絕緣性和保暖性,但是在加工時容易產(chǎn)生靜電。

圖6 聚丙烯纖維

至此,熔噴布的“今生”核心材料——聚丙烯“誕生”了。那聚丙烯材料如何生產(chǎn)熔噴布,進而一步步變成“今生”口罩的樣子呢?

大家小時候,都見過或者吃過棉花糖吧?制造棉花糖需要兩樣關(guān)鍵的東西,一是高速旋轉(zhuǎn)的、四周開有小孔的容器,二是加熱后融化的糖漿。融化的糖漿從小孔中甩出后,被拉伸成細(xì)細(xì)的糖絲,遇到較冷的空氣迅速冷凝固化,凝固的糖絲糾纏在一起,就形成了棉絮一樣的棉花糖。

圖7

圖8

制造熔噴布原理和棉花糖大體相同。不同的是,熔噴布使用的是熔融態(tài)的聚合物熔體(比如聚丙烯),并且不是像糖漿那樣“甩”出來,而是在高壓、熱空氣的作用下從具有很多細(xì)小噴口的模具中噴擠出來,然后對其進行牽引拉伸,由此形成超細(xì)纖維并收集在網(wǎng)簾或滾筒上。

熔噴布的生產(chǎn)工藝大致分為:熔體(聚合物)準(zhǔn)備→熔融擠壓→過濾→計量→熔體細(xì)流拉伸→冷卻→網(wǎng)簾輸送→靜電駐極→加固成品。

熔體準(zhǔn)備和加料:先對聚丙烯切片進行預(yù)處理(包括干燥和結(jié)晶)。聚丙烯原料從投料機進入螺桿后,切片被輸送和預(yù)熱,繼而被螺桿壓實、排氣并逐漸熔化,然后在螺桿計量段中進一步混合塑化,并達(dá)到一定溫度,以一定的壓力輸送到計量泵。

圖9 投料機

圖10 螺桿擠壓機

圖11 加料示意圖

過濾:聚合物熔體在進入模頭(噴頭)之前,常用石英砂等過濾介質(zhì),以過濾的方法除去聚合反應(yīng)殘留的催化劑等雜質(zhì)。

圖12 過濾示意圖

圖13 瑪格化纖熔噴計量泵

計量:聚丙烯熔體在計量泵中,測算好輸出到噴嘴的熔體流量,經(jīng)準(zhǔn)確計量后才送至熔噴模頭,便于精確控制纖維細(xì)度和均勻度。

圖14 輸送熔體

圖15 熔噴模頭

圖16 噴出的聚合物熔體

熔體細(xì)流拉伸和冷卻:經(jīng)噴絲嘴的毛細(xì)管擠出的聚丙烯熔體,受到毛細(xì)管兩側(cè)噴出的高速高溫氣流和周圍空氣的共同作用下(如圖17～19所示),迅速被拉細(xì),然后固化成型,最終固結(jié)成短而細(xì)的纖維。

圖17

圖18

圖19

網(wǎng)簾輸送:細(xì)化的纖維冷卻并固化于接收滾筒上,形成熔噴布。

圖20 國產(chǎn)間歇式熔噴布接收滾筒

圖21 靜電駐極的示意圖

經(jīng)過熔噴工藝制成的纖維很細(xì)(可至0.25 μm),有較大的比表面積(表面積大,吸附能力強)、空隙小而孔隙率大,故其過濾性、屏蔽性和吸油性等應(yīng)用特性是其他用單獨工藝生產(chǎn)的無紡布所不具備的。

日常使用的熔噴布過濾材料主要是通過機械阻擋和靜電吸附雙重作用來捕獲粒子。這是由于熔噴布本身的過濾性能其實只有70%以下,純粹靠熔噴超細(xì)纖維的纖維細(xì)、空隙小、孔隙率高的纖維三維集合體的機械阻擋作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因此需要通過靜電駐極的工藝對熔噴布進行添加靜電電荷效應(yīng)。靜電作用是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常碰到的現(xiàn)象,比如大家穿毛衣的時候就會碰到冒出火花的靜電情況。

大家自己也可以做一個簡單的口罩靜電測試(如圖22～24):第一步,將干燥紙片剪成紙屑;第二步,將口罩輕輕附在紙片上;第三步,如果是合格的口罩就明顯有靜電吸附紙屑。這是因為合格的口罩會做靜電駐極處理,以靜電吸附病毒,達(dá)到保護效果。

圖22

圖23

圖24

什么是靜電駐極作用?由于熔噴布會儲存電荷,當(dāng)熔噴布通過高壓靜電駐極裝置的時候,經(jīng)過充電后帶有幾百到幾千伏電壓,熔噴布材料表面靜電電勢增大,電場增強,這樣使得熔噴布的過濾材料表面的電荷增多,從而不斷產(chǎn)生靜電力(包含靜電引力和靜電斥力),持續(xù)吸引空氣中的帶電微粒從而捕獲病毒微粒,所以口罩可以利用電荷的靜電力作用提高過濾效率,可以達(dá)到99.9%到99.99%,也就是達(dá)到N95標(biāo)準(zhǔn)或以上。