消毒处理对口罩材料微观结构及润湿性的影响

2020-10-29林世玑林世璿

西安工程大学学报 2020年5期

林世玑，林世璿，李斌

(1. 电子科技大学物理学院，四川成都 610054；2.安徽工业大学计算机科学与技术学院，安徽马鞍山 243002；3.四川文理学院智能制造学院，四川达州 635000)

0 引言

口罩是广泛应用于日常生活和医疗的一种卫生用品。口罩可以作为过滤用品来保护佩戴者，同时也可以起阻挡作用来减少呼吸疾病患者导致的病原传播。由于新冠肺炎疫情影响[1]，人们的防护意识提高，在呼吸道疾病流行期间，佩戴口罩成为避免感染的重要措施之一[2-3]，如在1918年的“西班牙流感”、2003年的严重急呼吸综合症(SARS)、中东呼吸综合征(MERS)和此次的新冠肺炎中，市民在公共场所佩戴口罩被大力提倡甚至强制要求[4-5]。

一次性医用口罩通常有3层结构，目前市场上的口罩制作材料以聚丙烯为主。外层和内层为单层聚丙烯纺黏非织造布，分别作为阻水层和亲肤层，其中阻水层可阻隔飞溅的飞沫，亲肤层可吸收佩戴者口鼻产生的水气。中间为单层或多层的超细聚丙烯纤维熔喷非织造布，在口罩过滤性能中占主导作用[5]。针对不同需求，国内外制定了不同的口罩执行标准，其中过滤效率、流体阻隔能力和过滤阻力等为医用口罩的主要防护指标[6]。口罩过滤的原理主要是惯性撞击和静电吸附。当气体和悬浮的粒子以相同的速度撞击滤布，气体会随着滤材中的孔洞而改变其流动方向，然而较大的粒子会因为惯性作用与滤材直接发生碰撞，从而过滤质量和尺寸较大的粒子。因此，口罩的微观结构(如纤维直径、纤维覆盖率和孔隙率等)[7]及其疏水性能会直接影响其对微米尺寸颗粒和飞沫的阻隔效果。气溶胶中存在许多亚微米的颗粒，对于此类颗粒的阻隔主要依赖于口罩中层的静电吸附，质量和粒径越小的粒子则越容易被吸附。

普遍认为，口罩为一次性使用的卫生用品。然而在非特殊时期，医用一次性口罩能否重复使用及如何重复使用有必要进行讨论。口罩的原材料聚丙烯为一种热塑性合成树脂，化学性质较稳定，其熔点约160 ℃，降解温度一般高于400 ℃[8]。有实验研究表明在室温下(23～25 ℃)，聚丙烯耐化学腐蚀，并难以溶于70%乙醇水溶液[9]。其次，聚丙烯在紫外线照射下也能保持较强的稳定性[10]。因此，理论上，在普通使用情况下，口罩的微观结构不易发生改变。但由于口罩的材料在口罩制作过程中经历了多种处理，因此常用的消毒方式如沸水蒸煮、酒精浸泡和紫外线照射等[11]是否会破坏口罩的微观结构和疏水性能尚未可知。因此，本文就沸水加热、酒精浸泡和紫外线照射3种方式对口罩外层和中层的微观结构及疏水性能的影响展开实验研究。

1 实验

1.1 材料

一次性普通医用外科口罩的外层和中层，口罩符合川械注准20152140045，口罩面料为聚丙烯非织造布。

1.2 方法

将洁净的口罩外层和中层裁剪为10 mm×10 mm的试样，利用古派紫外线灯(功率30 W，波长254 nm)、沸水和75%的医用酒精分别对口罩进行处理，处理时间均为30 min。考虑到紫外线的穿透能力较弱，将口罩的外层和中层试样分别进行紫外线照射处理。采用XSP-02显微镜观察口罩处理前后的微观结构，显微镜的放大倍数300倍，每件试样数据采集点数超过10个。口罩的润湿性利用静态接触角来表征，使用的试剂为饮用水和染色剂，其中染色剂用于液滴染色，以提高液滴轮廓的分辨度。小液滴通过注射器轻轻滴于试样表面上。每组试样重复测量3次。

利用化妆喷雾器模拟人打喷嚏产生的飞沫环境。为了较清楚地显示喷雾穿越口罩的情况，在模拟液体里加入适量黑色墨水，并在口罩背后近距离处放置一张白纸。穿越口罩的小液滴将会沉积在白纸上。为了保证喷雾的速度较大和喷雾的分散性较优，将喷雾和目标试样的距离固定为40 mm。图片均由OPPO R11s手机拍摄获取，其分辨率为3 456×4 608，为了更清楚地取得液滴在口罩表面的形貌，利用放大镜(放大倍数2.5倍)辅助拍摄。后期利用Matlab及ImageJ进行图像处理。

2 结果与讨论

我国医用外科口罩的行业标准为YY 0469—2011《医用外科口罩》。虽然针对不同需求，对颗粒及细菌过滤效率、合成血液穿透阻力等指标有不同的规定和检测方法，但是口罩的防护机理通常都基于惯性碰撞和静电吸附。因此，对比消毒处理前后的口罩微观纤维特性及其润湿性可以作为预判口罩过滤效力和穿透阻力等指标的一种方法，并为口罩的二次利用提供参考。

2.1 微观结构

口罩由聚丙烯非织造布制成，口罩的每一层由纵横交错的纤维以随机方向层叠而成，如图1～2所示。

(a) 未处理 (b) 沸水加热 (c) 酒精浸泡 (d) 紫外线照射图 1 处理前后口罩外层的显微图片Fig.1 The microscope pictures of the outside mask layer before and after processing

(a) 未处理 (b) 沸水加热 (c) 酒精浸泡 (d) 紫外线照射图 2 处理前后口罩中层的显微图片Fig.2 The microscope pictures of the middle mask layer before and after processing

病毒常被包裹在飞沫中进行疾病传播。口罩对飞沫的主要阻隔机制之一为惯性碰撞，因此纤维直径、覆盖率及空隙尺寸对过滤效率有重要影响。纤维直径和纤维覆盖率越大，空隙尺寸越小，则颗粒穿越口罩层的阻碍越多，通道越少，从而过滤效率越佳。从图1～2可以看出，口罩外层的纤维直径较大。中层为超细熔喷层，纤维直径明显减小。经过3种方式处理后，微观结构均未见明显腐蚀、纤维断裂等变化。由于口罩外层和中层为同种材质，加以实验条件的限制，着重针对处理前后口罩外层的微观结构进行定量分析。处理前后口罩外层纤维的平均直径均在(16±3) μm。本文定义纤维正面投影面积与观测面积之比为纤维覆盖率，结果见表1。

表 1 口罩外层和中层的纤维覆盖率Tab.1 The fiber coverage of the outside and the middle mask layers 单位：%

从表1可以看出，未处理的口罩外层纤维覆盖率为(89±3.1)%,而中层的纤维覆盖率则高达(99±0.2)%。处理后外层和中层依然分别维持约89%和99%的纤维覆盖率。由于显微镜的景深较小，因此没有在焦距平面内的纤维成像不够清晰，造成观测到的纤维覆盖率比实际略为偏大。由于口罩的空隙为不规则多边形，因此将多边形的长轴与短轴的均方根平均值作为孔径。对于未处理的口罩外层，孔径基本小于100 μm。在d=1.3 mm的观测范围内，尺寸超过100 μm的孔径基本不超过10个。每平方毫米内孔径尺寸达到100 μm以上的平均个数为(1.3±0.4)个。3种处理方式下的口罩外层孔径分布亦未发生明显变化，如图3所示。由上可知，常用的沸水加热，酒精浸泡和紫外线照射等消毒的方式处理口罩30 min不会对口罩的微观结构造成明显影响。

图 3 口罩外层处理前后孔径的分布Fig.3 The hole size distribution of the outside mask layer before and after processing

2.2 润湿性

飞沫穿越口罩是一个在多孔表面发生液滴撞击和扩散的过程，因此表面的润湿性在飞沫与口罩的相互作用中有显著的影响。液滴轻置于光滑且化学性质各项同性的固体表面上，其稳态接触角θeq与各界面张力的关系满足杨氏方程[12]，即

γsv=γsl+γcosθeq

(1)

式中：γsv、γsl和γ分别为固气、固液和气液界面张力。通常，将接触角θeq小于90°的表面称为亲水表面，θeq大于90°的表面称为疏水表面。当固体表面为粗糙表面时，有2种润湿状态，若处于Wenzel状态[12]，则有

cosθ*=rcosθeq

(2)

式中:θ*为表观接触角；r为粗糙度，r>1。粗糙度能分别增加亲水表面和疏水表面的亲水性和疏水性。若处于Cassie状态，忽略材料本身化学性质的不均匀性，润湿方程[12]变为

cosθ*=f(cosθeq+1)-1

(3)

式中：f为固体表面的组份，(1-f)为空气的组份。表面光滑时，f=1。若粗糙度增大，即空气所占面积增大，根据公式(3)，f减小，θ*增加，则表面的疏水性能增加。表面的亲水性越强，液滴碰撞表面后越容易滞留在表面上，伴随蒸发、扩散和呼吸的作用，导致带病毒的颗粒穿越口罩的几率增加。相反，当表面的疏水性较强时，飞沫与口罩表面碰撞过程中的相互作用减小，飞沫则可能发生反弹或部分反弹，从而减少飞沫的滞留和穿越。因此，口罩表面疏水性增加理论上可以提高口罩的防护效果。

液滴在口罩外层和中层表面上的形貌如图4～5所示。通过口罩表面对宏观液滴(～4 μL)润湿性的变化来分析口罩润湿性的变化。水滴在聚丙烯表面上的接触角为(85±2)°，通过测定极性和非极性液滴在其表面上的接触角，得到聚丙烯的表面能为28.8 mJ/m2[13]，表明聚丙烯的表面自由能较低，亲水性较弱。

图 4 液滴在口罩外层表面上的形貌Fig.4 The droplets profile deposited on the outside mask layer

图 5 液滴在口罩中层表面上的形貌Fig.5 The droplets profile deposited on the middle mask layer

然而实验发现，水滴在未处理医用外科口罩外层和中层的接触角分别为(127±6.3)°和(136±4.1)°，展现了较高的疏水性。稍微倾斜表面，液滴则会滑落，由此可推测液滴处于Cassie状态，沾湿等级较高[6]，并且可以判断，造成液滴在口罩外层和中层表面上的表观接触角增加至大于120°的原因是对聚丙烯的氟化处理使其变为疏水材料，即式(3)中的θeq增加；其次为纵横交错的纤维直接与水滴接触的纤维面积减少，即f减小，θ*增加。实验发现，处理前后液滴在外层和中层的表面接触角变化不大，结果见表2。表明此3种方式在一定时间内不会明显破坏口罩表面的氟化层，口罩外层和中层仍具有较优的疏水性，口罩的沾湿等级不会变化。

表 2 液滴在口罩表面上的接触角

2.3 喷雾阻隔作用

飞沫初期主要伴随着人体咳嗽和打喷嚏等过程产生的“喷射状”气流流动。其中咳嗽产生的飞沫尺寸主要集中在1～8 μm，而喷嚏产生的飞沫则多在几十微米到几百微米[14]，因此仅通过显微镜分析口罩纤维物理特性和毫米级液滴对口罩的润湿性不能完全反映口罩对飞沫的阻隔效果的变化。在标准的口罩检测中，通常利用亚微颗粒来检测口罩的过滤能力[15]。另有研究报道青年志愿者咳嗽和打喷嚏产生气流的最大速度一般在4～5 m/s，而呼吸产生的最大气流速度不超过1.4 m/s[16]。因此，本文采用了常用的化妆喷雾器来模拟人体呼吸作用产生飞沫的气流环境，如图6所示。

(a) 示意图 (b) 装置图图 6 喷雾实验装置Fig.6 The setup of the spray experiment

喷雾器通过对液滴加压，液体将获得动能，从喷嘴喷出并变成小液滴[17]。由喷雾器直接喷在白纸上的图案可反映出喷雾器产生的小液滴尺寸分布，产生小液滴的总量及喷雾的速度。当喷雾器距离白纸80 mm，产生的小液滴分散较好，但由于喷壶内部喷头的缺陷，产生的沉积图案并非360°均匀，而近似为一个长轴在135°方向上的椭圆形，整体分布在173 mm×160 mm的椭圆形区域内，如图7所示。

(a) 距离80 mm (b) 距离40 mm图 7 液滴沉积图案Fig.7 The deposition patterns of the droplets

可以观察到较大的液滴沉积图案直径可达1 mm，通过显微镜观察，微小液滴的沉积图案直径可低至几微米。表明此喷雾器产生小液滴的尺寸跨度较大，可产生几微米到几百微米尺寸的小液滴，并由喷雾产生的条件可知，小液滴的速度在10 m/s的量级[17-18]，因此喷雾可以较好地模拟人打喷嚏时产生的飞沫环境。较大的液滴集中在中间区域，而极小的液滴则分散在周围。口罩裁去边缘，得到的外层和中层拉直后的尺寸可达120 mm×155 mm。为了让口罩面较全面地覆盖喷雾，减小喷雾器与目标物的距离至40 mm，得到的椭圆形沉积图案区域减小为107 mm×100 mm。假设黑色图案的厚度一致，则黑色图案总面积与白纸捕获的小液滴总体积成正比。

图8为口罩阻挡后，小液滴被白纸捕获的情况。如图8(a)所示，使用未处理的口罩外层进行喷雾阻挡，白纸上捕获的小液滴明显减少，且口罩外层表面的图案颜色较白纸深，表明大部分小液滴被拦截在口罩外层。然而用口罩中层阻隔后，白纸上则无肉眼可见的沉积图案，验证了绝大部分的小液滴可以被中层阻隔。图8(b)～(c)为沸水加热处理过的外层和中层对喷雾的阻隔作用。结果显示对于沸水加热处理后，经口罩外层阻隔，白纸上捕获的小液滴略有增加。对于口罩中层，白纸上无肉眼可见的沉积图案。酒精浸泡和紫外线照射处理后的口罩有相似的结果。

喷雾器产生的小液滴通常比人咳嗽和打喷嚏时产生的小液滴速度高。因此相比人体产生的飞沫，喷雾器产生的小液滴有更高的动能去克服阻力以穿越口罩的多孔表面[19]。综上，对于具有较高射流速度的微米级及以上的小液滴，此3种消毒方式会一定程度地减小口罩外层的阻隔作用，然而对中层的阻隔效果未见明显影响。

(a) 未处理口罩外层

(b) 沸水加热处理口罩外层

3 结论

对一次性医用外科口罩分别经过沸水加热、酒精浸泡、紫外线照射3种消毒处理各30 min后，得出如下结论：

1)外层和中层的纤维结构均未见明显变化，无断裂，无腐蚀。其中口罩外层的平均纤维直径均在16 μm左右。外层和中层的纤维覆盖率在处理前后亦未见明显变化，分别保持在89%和99%左右。处理前后外层和中层的润湿角存在差异，但总体上分别保持在127°和136°左右。对毫米级液滴均具有较好疏水性，抗湿性能较好。

2)3种消毒处理方式均会一定程度地降低口罩外层对较高速喷雾的阻隔效果，而对于口罩中层无肉眼可观察范围内的影响。

本研究实验结果可为新冠肺炎病毒低风险地区是否二次使用普通医用外科口罩做一定参考。

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