战疫利器——熔喷织物与防护口罩

林汉京 (1.《化工管理》杂志社有限公司，北京 100101；2. 中国科学技术馆志愿服务总队，北京 100012)

0 引言

2020 年新年伊始，新型冠状病毒肺炎在武汉爆发，防疫工作刻不容缓。习近平总书记做出重要指示“紧紧依靠人民群众坚决打赢疫情防控阻击战”[1]。熔喷无纺布是一种高效、新型的化学纤维过滤材料，具有良好的机械阻截和静电吸附有害致病细微颗粒能力。正确佩戴以熔喷织物为核心材料的防护口罩可有效防御新冠病毒。本文介绍熔喷无纺布的组成与结构特性和医学防护原理，对公众普及正确使用防护口罩的相关知识。

图1 燕山石化公司紧急试产成功聚丙烯熔喷无纺布专用料

1 “为了口罩料，拼了！”

全国各地打响了防控新冠疫情的阻击战、总体战。李克强总理专程到北京市的口罩企业督战，他强调口罩对医务人员来说就是“武器”，对老百姓来说就是“盾牌”。要求力争早日实现全国日产过亿只。然而一时间，医用防护用品急缺，医用口罩关键材料熔喷专用聚丙烯树脂粒料更是直接告罄。“战疫”才刚刚开始，防控阻击就有“无米之炊”的危险。“为了口罩料，拼了！”中国石化燕山石油化工有限公司急国家防疫之所急，紧急开展专项技术攻关，用最快的速度试产成功聚丙烯熔喷无纺布专用料向下游厂家供货[2]，见图1。上海石化金昌公司也开足马力全力生产，向市场批量投放熔喷专用料；另一家化工央企中国化工集团所属天华化工机械及自动化研究设计院积极提供医用级熔喷材料生产全套技术和设备，驰援医用材料生产企业迅速升级扩产。

中国化工集团旗下中昊晨光化工研究院创新性地运用为航天、航空领域开发研究的新型材料e-PTFE 微孔膜，制作过滤性能高效、可重复使用的防护口罩。这款被誉为“春味”的新型口罩一经问世便受到广泛关注。近日，这款口罩通过美国和欧盟有关机构的认证。中昊晨光化工研究院将第一批产品首先向中国化工设在海外的企业提供。在新冠疫情全球爆发的严重风险下，8.7 万名中国化工的外籍员工的个人防护优先得到妥善保障。参见本刊封面照片[2]。中国化工人在国家和人民最需要的关键时刻，履行国有企业职工和科研工作者的社会责任。实现总书记的要求，打好防控新冠疫情的人民战争有了坚实的保障。

2 熔喷无纺布，防护口罩的“心脏”

图2 高倍放大后的熔喷无纺布微观结构

说起来，熔喷无纺布技术算得上一项“军转民”技术，它起源于20 世纪50 年代[3]。美国为了收集高层大气中的放射性粒子研发超细过滤材料，集合了化学工业的高分子材料加工技术与纺织工业的无纺织物制造技术，在材料学科领域形成一项高效化学无纺织物过滤材料的全新技术。图2 是电子显微镜下的聚丙烯熔喷无纺布微观结构。

简单地说，熔喷技术就是将熔融形态的高聚物在高速空气动力的作用下达到超细纤维化，在冷却的同时利用自身的热粘结性实现适度粘连；采用驻极技术，利用静电的同性相斥原理使三维无纺织物的密度适宜孔隙均匀。新型高效的熔喷无纺布过滤材料最适宜做卫生材料，它的诞生在一夜之间把医务界使用上百年的纱布口罩彻底淘汰[4]。图3 是中国人民解放军医疗队员佩戴防护口罩，准备登机驰援武汉执行救治任务。

医学防护等级根据要求一般分为三级。医用防护口罩、医用外科口罩等平面口罩(三层织物构成，外观多呈浅蓝色)可以用于一级防护，主要针对日常环境中携带病原体飞沫的有害传播。而对于在防疫一线的医务人员和专业人员来说一级防护远远不够，面对高密度病毒气溶胶的近距离威胁必须进行三级防护，需要佩戴N95(美国国家职业安全与健康研究所提出的标准，在NIOSH 标准规定的检测条件下，对粒径大于等于0.3μm 的颗粒阻隔率达到95%以上)、KN95 这样的立体构型防护口罩(多层织物构成)[5-7]。以熔喷无纺布为核心材料的N95 等口罩所用的材料和结构并无太大区别，提高防护能力的关键措施，是增加口罩中间熔喷无纺布的层数。图4 是医学防护口罩SMS 结构示意图。

图4 医学防护口罩SMS结构示意图

在口罩中间的防护层(简称M 层)就是聚丙烯熔喷无纺布，口罩的正、反两面是对防护层提供包覆和支撑，并防止水汽侵入的纺粘层(简称S 层)。根据防护等级的要求M 层可以放置一到多层。如果是一级防护用口罩(如：医用防护口罩、医用外科口罩)，一层M 层就够了；而像N95 这样的用于三级防护的口罩，M 层可能要放三层甚至更多。当然，M 层层数越多，口罩的透气性越差，具体的产品会各有不同。这样一说就不难理解，为什么称熔喷无纺布是防护口罩的“心脏”了。

需要注意的是，装有呼气阀的口罩虽然降低了佩戴者的呼气阻力，但是对佩戴者的呼吸几乎没有“管理”作用，不利于公共防护。因此这类口罩只适合防尘、防雾霾等非医学防护[8]，不适合在医院或其他病毒高风险地区使用。

3 两大御敌本领：物理拦截与静电吸附

熔喷布熔喷无纺织物的工艺技术已经非常的成熟，其产品也广泛使用于社会生活与生产的很多领域。医用口罩(包括用于3 级防护的N95 口罩)所用的熔喷布主要以聚丙烯(PP)为原料。

众所周知，传统的过滤材料主要依赖织物纤维的缝隙实现过滤和通气的效能，但过滤杂质与通透空气是一对矛盾。多数病毒的物理形态在纳米尺度(单个病毒大约10nm，10-8m),传统材料基本不具备拦截功能，而先进的熔喷织物依靠对细小颗粒优异的拦截功能和独特的吸附功能，具备比传统口罩高百倍的防护效能[9]。这主要归功于熔喷织物的两大御敌本领：物理拦截与静电吸附。图5 熔喷纤维防护效能的示意图。

图5 熔喷纤维防护效能的示意图

3.1 物理拦截

过滤材料依靠纺织或非织造工艺实现纤维在空间的密集，从而对流动的空气形成“阻塞”效应，空气中较大颗粒或是因为与纤维碰撞、截停，或是因纤维网格狭缝被“拦阻”在过滤材料的一侧。某些颗粒可能被阻塞在过滤材料的孔隙中。增加拦截效应的一个关键是提高纤维的细度和空间密度，即纤维的直径要尽可能细小，纤维间的孔隙尽可能密集，以有利于拦截更细微的颗粒。采用数字控制的先进熔喷装置可以连续制造纤维直径达到亚微米级(0.1～2μm)，可形成孔隙微细、密集度大、缝隙均匀的三维熔喷织物。拦阻效率远远高于天然纤维过滤材料，可以有效拦阻含病毒的飞沫和其它粒径在微米量级的有害颗粒。

对于空气中的非生物颗粒(如：沙尘、PM2.5 等)，口罩的净化效能主要看过滤材料的拦截能力。熔喷织物的物理拦截作用基本可以胜任。然而，孔隙细小到一定程度口罩的透气作用就会失效。因此单纯依靠拦截过滤，对呈现气溶胶状态传播的有害微生物本体拦阻作用不大，防护效果不能令人满意。

3.2 静电吸附

静电有对轻微物体吸附的功效，熔喷织物主要依赖静电效应吸附微颗粒的。众所周知，棉纤维等传统的天然纤维产生和携带静电的能力都很弱，因此纱布口罩基本没有吸附效能。而采用非极性高分子聚合物(如聚乙烯、聚丙烯等)制作的纤维极易产生静电，这一点，大家可以对比穿着纯棉服装和化纤服装的感受。聚丙烯(PP)具有较高的电阻率,因此通过静电感应或摩擦产生的电荷易积累而不易散失，纤维表面单位面积承载电荷的容量较大,是具有长久保留电荷能力的驻极电介质材料首选。熔喷纤维直径超细，更是静电产生和保持的绝佳材料，使其“天生”就具备极好的吸附效能。科研工作者对如何产生和保持过滤材料的静电效能做了大量的工作，目前熔喷无纺布生产厂家成熟运用电晕技术使熔喷织物“驻极化”，从而带有持久的静电荷[10]。

需要提到的是图6 展示的活性炭口罩，也有吸附作用。但它主要依赖的是化学吸附(分子间力作用)，不是静电吸附，吸附的对象主要是小分子化学物质。因此它适合用于针对环境中有害化学气体或者异味对人体的危害，而活性炭的多孔结构易于滞留有害微生物。因此此种口罩不适于用来针对飞沫或病毒气溶胶等的医学防护[11]。

图6 活性炭口罩不适用于医学防控

病毒、细菌等微生物本体由于自身有机形态的构成，在体表都有一定的负电荷，这正有利于利用熔喷纤维表面的正电荷吸附净化。厚度不足0.1mm 的熔喷无纺布，可对0.3μm 的氯化钠颗粒物过滤效果大于70%。由于熔喷织物有了静电吸附这种“独门绝技”，其当仁不让地成为医学防护口罩材料的首选。

4 正确佩戴，物尽其用

4.1 佩戴注意事项

熔喷无纺织物技术为人类战胜新冠疫情提供了前所未有的防护保障，在佩戴使用口罩时必须遵循严格的要求。图7 展示了防护口罩的正确佩戴方法。除了应正确佩戴外，还应特别注意要保持口罩的干燥。水是静电的去除剂，口罩遇水或潮湿后，熔喷材料的静电荷就会损失，口罩的防护功能衰减。

图7 防护口罩的正确佩戴方法

它地区的一般人员来说，佩戴口罩主要是防飞沫，口罩不必须一次性使用。但是要注意一般不建议用水或酒精洗涤，也不要高温蒸煮口罩。可简单进行消杀(比如：紫外线照射或阳光曝晒)后再次使用。

4.2 科学再生，“一次性”口罩可复用

对于口罩的再次使用方法也要科学合理。最近，北京化工大学陈建峰院士(中国工程院院士、北京化工大学副校长)研究团队实验发现，对普通一次性医用平面无纺布口罩进行二次荷电处理，可以使其再生静电效应而达到可重复使用，参见图6。由此提出了“口罩荷电再生重复使用”技术方法及其导则。即：将使用后的一次性医用无纺布口罩置于56℃以上热水泡30min 消毒处理(参见新型冠状病毒肺炎防控方案(第四版)[12])，随后采用电吹风机等家用电器设施对“失效”的口罩进行吹干和再生荷电处理。口罩中熔喷材料受电吹风机产生的热空气摩擦，或受静电电场的感应重新获得静电电荷。研究人员介绍，试验测试表明该技术方案对水洗后的口罩进行二次荷电处理，可恢复熔喷织物接近原有携带静电量的90%，使口罩重新具备静电吸附功效[13]。这为在非常时期解决口罩再生重复使用问题，提供的一种简便易行的方法。研究人员特别强调，再生口罩不推荐密切接触患者的人群、医护人员及实验室工作人员使用，但是广泛适用于较低风险场所人员使用。

5 结语

新材料技术与医学技术、环境技术、信息技术等科学技术相互融合发展，让人类健康更有保障。曙光在前，我们有信心、有能力在党中央的正确领导下战胜新型冠状肺炎疫情。中国人民前进的脚步不会由于疫情的困扰而停滞。