战疫利器——熔喷织物与防护口罩（图文）

林汉京

（《化工管理》杂志社，北京 100101；中国科学技术馆志愿服务总队，北京 100012）

摘要：文章介绍了中国化工人积极支援“战疫”，研制防护口罩核心材料聚丙烯熔喷无纺布专用料。熔喷无纺布具有良好的物理阻截和静电吸附有害致病细微颗粒能力，正确佩戴防护口罩可有效防御新冠病毒；用简单、科学方法使熔喷材料再生静电，“一次性”口罩可重复使用。

关键词：新冠病毒；熔喷无纺布；防护口罩；静电吸附；再生复用

The Weapon for Epidemic
Prevention：Melt Blown Fabric

and Medical Protective Mask

Lin Han-Jing

(《Chemical Enterprise Management 》Magazine,Beijing 100101,China;

China Science and Technology Museum Volunteer Service Corps, Beijing 100012,China)

Abstract : This paper introduce the workers and researchers who
work in Chinese chemical industry 
dedicate themselves to support Chinese anti-virus campaign. The core
material of protective mask is polypropylene melt blown non-woven fabric. This
material has high efficient on physical obstruction and electrostatic
absorption of harmful and pathogenic micro particles. The correct use of
protective mask can prevent novel coronavirus effectively. Using simple and
scientific method to regenerate electrostatic charge, disposable respirators
can be reused.

keywords: novel coronavirus;melt blown fabric;protective mask;electrostatic
dsorption;regenerative reuse

 疫情 紧急，“为了口罩料拼了”

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。习近平总书记作出重要指示“紧紧依靠人民群众坚决打赢疫情防控阻击战”；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。全国各地打响了防控新冠疫情的阻击战、总体战。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熔喷无纺布厂家供货。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无纺布专用料；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。

燕山石化紧急试产熔喷无纺布专用料

解决口罩资源短缺的问题需开源节流并举。科研人员对如何科学合理使用口罩进行深入研究。北京化工大学陈建峰教授（中国工程院院士、北京化工大学副校长）研究团队对普通一次性医用平面无纺布口罩进行二次荷电再生处理研究，实现了防护口罩的复使用。这个消息鼓舞和增强了人民群众战胜疫情的信心。中国化工集团旗下中昊晨光化工研究院采用高性能过滤材料e-PTFE微孔膜制作新型可重复使用的防护口罩，积极支援抗疫前线。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。实现总书记和总理的要求，打好防控新冠疫情的人民战争有了坚实的保障。

e-PTFE微孔膜制作的可重复使用防护口罩投产

 熔喷 无纺布，口罩的“心脏”

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。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。

 

高倍放大后的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。

 

军队医务人员佩戴口罩，紧急驰援武汉

医学防护根据防护要求的等级一般分为三级。我们佩戴最多的那种浅蓝色的“外科防护口罩”可以用于一级防护，主要针对的是在日常对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0.3 微米的颗粒阻隔率达到95% 以上）、KN95这样的专用防护口罩。其实二者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，是增加口罩中间的以熔喷无纺布为核心材料的过滤层。

 

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，使用一层M层就够了；而像N95这样的三级防护口罩，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”了吧。

那么，熔喷纤维为什么能够拦截住比它直径细微得多的病毒呢？

 两大 本领：拦截与吸附

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。病毒的物理形态在纳米尺度（nm，10^-9m）,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。

熔喷纤维防护效能的示意图

机械拦截：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，即纤维的直径要尽可能小，以利于提高滤材料的微细孔隙的单位体积密度，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），可形成微细孔隙小、单位体积密度大大、孔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。但是，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。

静电吸附：熔喷织物主要依赖静电效应产生吸附效应。传统的天然纤维产生和携带静电的能力都很弱，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,注入电荷的容量较大,射频损耗极小,因此是一种制造驻极纤维的理想材料。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都运用“驻极技术”，使熔喷织物带有持久的静电荷。

需要提到的是活性炭口罩，也有吸附作用。它主要依赖的是化学吸附（分子间力作用）功能，适合用于针对有害化学气体的防护，而活性炭的多孔结构更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。

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。同时一定强度的静电场改变病毒等病原体生存的物理环境，有利于抑制病毒。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。有人曾经做过实验，一层熔喷无纺布口罩的防护效能轻松超过60层纱布口罩！

 正确 佩戴，物尽其用

熔喷无纺织物技术为战胜新冠疫情提供了有力武器，在佩戴使用口罩上也要注意特殊的要求。除了应正确佩戴外，还应注意一定要保持口罩的干燥。水是静电的去除剂，口罩遇水或潮湿后，熔喷材料的静电就会立刻衰减，口罩的防护功能也就随之大幅降低，甚至不复存在了。

防护口罩的正确佩戴方法

对于一线的医务工作者和防疫专业人员，要坚持口罩一次性使用原则；而对于其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。 

在提到口罩的重复使用这个问题时，我们要对美国总统特朗普先生向公众发布的错误信息加以纠正。当地时间21日，美国总统特朗普与一众专家在白宫召开疫情吹风会，他直接喊话医护人员：用完的口罩直接扔掉太浪费了，可以用“消毒液”（liquid）消完毒继续用。总统先生这一番话固然反映了他对美国防疫关键时刻防护口罩紧缺的焦急心态。但是，一听总统先生这样讲，就知道他对防护口罩防御病毒的原理知之甚少。如果按照他告诉大家的用消毒液消毒后的口罩，由于失去了静电的作用，防御病毒的效能也就不复存在了。难怪他讲这番话时，站在他身后的美国“国家过敏和传染病研究所”所长福奇急忙提醒，应遵循美国疾病控制与预防中心（CDC）指南。美国食药局（FDA）曾明确指出，N95口罩“不应该被共享或重复使用”。然而福奇大概没有想到，疾控中心（CDC）在最新更新的一份防疫指南中，竟然建议医护人员在没有口罩的情况下，将头巾或围巾作为替代口罩的“最后手段”。 这样的语言反映出美国上下对医用防护口罩的知识一片空白。看似非常简单的无纺布防护口罩（不论是平面和是立体造型）防疫性能主要是靠中间带有静电（吸附和阻止病毒）的熔喷织物提供的，自制的口罩没有使用这个材料，所以不能医学防护，只能防沙尘和雾霾。更不用说什么围巾了。而口罩“消毒”时遇到大量的水，静电也会瞬间消失，原有剩余的吸附病毒的效果也就不复存在。

      在防护物资紧缺的特殊时期，口罩的再次使用确实是应该考虑的一个重要议题，但是方法必须科学合理。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。由此提出了“口罩荷电再生重复使用”的技术方法及其导则。即：将使用后的一次性医用无纺布口罩置于56℃以上热水泡30分钟消毒处理(参见新型冠状病毒肺炎防控方案(第四版))，随后采用电吹风机、电风扇、电子点火器等家用电器设施对“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，口罩重新具备静电吸附效应。

《中国科学报》2月18日报道

经国家劳动保护用品质量监督检验中心（北京）检测，结果表明：3类口罩（一次性医用口罩、一次性医用外科口罩和国外进口KF94口罩）再生后，口罩重要指标（0.1微米微粒过滤效率，即阻隔率）与新口罩相当（衰减约0.5%～1.5%）。再生效果明显。

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，可恢复熔喷织物大部分原有携带静电量，再生良好的截获有害微粒的能力。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思路。

研究人员特别强调，再生口罩的方法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，但是作为在口罩紧缺时期的应急措施，可广泛推荐较低风险场所人员参照使用。

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病毒。中国人民前进的脚步也不会由于疫情的困扰而停滞。

作者简介：林汉京（1955.1～），北京化工大学高分子材料专业本科毕业、首都经贸大学产业经济学专业在职研究生毕业，教授级高级工程师，先后曾任中国人民解放军总后军需生产技术研究所研究室副主任、中国化工集团某企业军工办副主任、科技部副主任、《化工管理》杂志社编辑部主任。中国科学技术馆2013年度十佳专家志愿者。                   

（本刊官网2020年2月24日首发，中国科技馆官网2020年3月2日选登。最近修改为3月25日。部分图文材料参考引用网络。一并致谢！）   

 2020年2月24日       

http://www.chinacem.net/info.asp?id=973