化学行之医用口罩核心——熔喷布的“前世今生”

戴跃华

(江苏省镇江第一中学)

2020年注定是不平凡的一年,疫情的突然暴发,让大家都措手不及,中华大地疫情肆虐,国家立即采取有效的防疫措施,疫情很快得到有效地控制。经过党和全国人民的不懈努力,近三年来,中国有效处理了百余起聚集性疫情和多次全球疫情冲击,保护了人民的生命安全和身体健康,感染率、重症和死亡人数保持在全球低水平状态。随着国家有效的诊疗技术和药物开发,救治、流调等能力持续提升,防控应急机制更加完善。加上疫苗研发与接种也取得积极进展,全人群疫苗完全接种率超过90%,积极构筑免疫屏障。我们终于等来了奥密克戎变异株致病力的减弱,人群面临的整体健康风险趋于缓和。为了积极应对当下疫情防控面临的新形势新任务,国家和人民也需要休养生息,所以国家正采取更具针对性、可操作性的防控举措,“走小步不停步”,逐步放开国门,紧抓经济发展,提高国家的综合国力。

另从国家疾控中心获悉,有关研究表明,科学正确佩戴口罩可以总体降低80%以上的感染风险,所以科学佩戴口罩是阻断新冠病毒传播的有效方式之一。在疫情防控的过程中,个人防护用品——口罩,可以说是一夜之间便从以往大家不太关注的小角落,成为了大家竞相追捧的“大明星”,作为最重要的防护装备之一的医用外科口罩、KN95口罩更是“千金难求”。今天就来一起走近我们的健康卫士——医用外科口罩,去了解它的核心——熔喷布(也称为熔喷无纺布)的“前世今生”吧!

在疫情防控的这3年期间,有效帮助我们抵挡病菌入侵的第一道防线就是口罩,主要指的是医用外科口罩以及KN95口罩。医用外科口罩和KN95口罩对于细菌过滤性能的要求比一般口罩的要高:一般情况下,对非油性颗粒的过滤效率达到30%以上,对细菌的过滤效率不低于95%。同时医用外科口罩对血液、体液和飞溅物的溅出起到防护作用,也就是需要具备防渗透性。

图1 医用外科口罩结构简易图(图片来源:搜狐《口罩的结构解剖》)

从分析中可以看出,口罩的主要材料都用到了聚丙烯,那聚丙烯来自何处呢?那我们就要去探索它的前世,被称为“工业的血液”的石油。

石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的化石燃料,是不可再生资源。它是由大量的碳氢化合物(及少量硫化合物)所组成的混合物。由于成分较多,需要通过分馏的方法将石油中的碳氢化合物予以分离。从图2、图3中我们可以看出,通过分馏的方法可以制成不同用途的石油产品。

图2 石油分馏产品示意图

图3 石油分馏产品不同用途示意图

从图4、图5中可以看出,通过加聚反应可以形成三种聚丙烯:等规聚丙烯、间规聚丙烯、无规聚丙烯。由于在等规聚丙烯中,甲基原子团都处在聚合物骨架的同一侧,这一结构很容易形成结晶态(利用这一特性,便可以进一步加工形成聚丙烯晶体),正是因为这种独特的结晶性赋予聚丙烯良好的抗溶剂和抗热性能,因此,等规聚丙烯形成的晶体是最常见的形式。

图4 丙烯的加聚反应

图5 加聚反应形成的三种聚丙烯

以等规聚丙烯为原料,进一步进行融化、塑形而成的合成纤维——聚丙烯纤维,不仅具有普通纤维质地轻便、强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀等优点,还具有其他纤维不具备的电绝缘性和保暖性,但是在加工时容易产生静电。

图6 聚丙烯纤维

至此,熔喷布的“今生”核心材料——聚丙烯“诞生”了。那聚丙烯材料如何生产熔喷布,进而一步步变成“今生”口罩的样子呢?

大家小时候,都见过或者吃过棉花糖吧?制造棉花糖需要两样关键的东西,一是高速旋转的、四周开有小孔的容器,二是加热后融化的糖浆。融化的糖浆从小孔中甩出后,被拉伸成细细的糖丝,遇到较冷的空气迅速冷凝固化,凝固的糖丝纠缠在一起,就形成了棉絮一样的棉花糖。

图7

图8

制造熔喷布原理和棉花糖大体相同。不同的是,熔喷布使用的是熔融态的聚合物熔体(比如聚丙烯),并且不是像糖浆那样“甩”出来,而是在高压、热空气的作用下从具有很多细小喷口的模具中喷挤出来,然后对其进行牵引拉伸,由此形成超细纤维并收集在网帘或滚筒上。

熔喷布的生产工艺大致分为:熔体(聚合物)准备→熔融挤压→过滤→计量→熔体细流拉伸→冷却→网帘输送→静电驻极→加固成品。

熔体准备和加料:先对聚丙烯切片进行预处理(包括干燥和结晶)。聚丙烯原料从投料机进入螺杆后,切片被输送和预热,继而被螺杆压实、排气并逐渐熔化,然后在螺杆计量段中进一步混合塑化,并达到一定温度,以一定的压力输送到计量泵。

图9 投料机

图10 螺杆挤压机

图11 加料示意图

过滤:聚合物熔体在进入模头(喷头)之前,常用石英砂等过滤介质,以过滤的方法除去聚合反应残留的催化剂等杂质。

图12 过滤示意图

图13 玛格化纤熔喷计量泵

计量:聚丙烯熔体在计量泵中,测算好输出到喷嘴的熔体流量,经准确计量后才送至熔喷模头,便于精确控制纤维细度和均匀度。

图14 输送熔体

图15 熔喷模头

图16 喷出的聚合物熔体

熔体细流拉伸和冷却:经喷丝嘴的毛细管挤出的聚丙烯熔体,受到毛细管两侧喷出的高速高温气流和周围空气的共同作用下(如图17～19所示),迅速被拉细,然后固化成型,最终固结成短而细的纤维。

图17

图18

图19

网帘输送:细化的纤维冷却并固化于接收滚筒上,形成熔喷布。

图20 国产间歇式熔喷布接收滚筒

图21 静电驻极的示意图

经过熔喷工艺制成的纤维很细(可至0.25 μm),有较大的比表面积(表面积大,吸附能力强)、空隙小而孔隙率大,故其过滤性、屏蔽性和吸油性等应用特性是其他用单独工艺生产的无纺布所不具备的。

日常使用的熔喷布过滤材料主要是通过机械阻挡和静电吸附双重作用来捕获粒子。这是由于熔喷布本身的过滤性能其实只有70%以下,纯粹靠熔喷超细纤维的纤维细、空隙小、孔隙率高的纤维三维集合体的机械阻挡作用是远远不够的,因此需要通过静电驻极的工艺对熔喷布进行添加静电电荷效应。静电作用是我们日常生活中经常碰到的现象,比如大家穿毛衣的时候就会碰到冒出火花的静电情况。

大家自己也可以做一个简单的口罩静电测试(如图22～24):第一步,将干燥纸片剪成纸屑;第二步,将口罩轻轻附在纸片上;第三步,如果是合格的口罩就明显有静电吸附纸屑。这是因为合格的口罩会做静电驻极处理,以静电吸附病毒,达到保护效果。

图22

图23

图24

什么是静电驻极作用?由于熔喷布会储存电荷,当熔喷布通过高压静电驻极装置的时候,经过充电后带有几百到几千伏电压,熔喷布材料表面静电电势增大,电场增强,这样使得熔喷布的过滤材料表面的电荷增多,从而不断产生静电力(包含静电引力和静电斥力),持续吸引空气中的带电微粒从而捕获病毒微粒,所以口罩可以利用电荷的静电力作用提高过滤效率,可以达到99.9%到99.99%,也就是达到N95标准或以上。