戰疫利器
——熔噴織物與防護口罩

林漢京 (1.《化工管理》雜志社有限公司，北京 100101；2. 中國科學技術館志愿服務總隊，北京 100012)

0 引言

2020 年新年伊始，新型冠狀病毒肺炎在武漢爆發，防疫工作刻不容緩。習近平總書記做出重要指示“緊緊依靠人民群眾堅決打贏疫情防控阻擊戰”[1]。熔噴無紡布是一種高效、新型的化學纖維過濾材料，具有良好的機械阻截和靜電吸附有害致病細微顆粒能力。正確佩戴以熔噴織物為核心材料的防護口罩可有效防御新冠病毒。本文介紹熔噴無紡布的組成與結構特性和醫學防護原理，對公眾普及正確使用防護口罩的相關知識。

圖1 燕山石化公司緊急試產成功聚丙烯熔噴無紡布專用料

1 “為了口罩料，拼了！”

全國各地打響了防控新冠疫情的阻擊戰、總體戰。李克強總理專程到北京市的口罩企業督戰，他強調口罩對醫務人員來說就是“武器”，對老百姓來說就是“盾牌”。要求力爭早日實現全國日產過億只。然而一時間，醫用防護用品急缺，醫用口罩關鍵材料熔噴專用聚丙烯樹脂粒料更是直接告罄。“戰疫”才剛剛開始，防控阻擊就有“無米之炊”的危險。“為了口罩料，拼了！”中國石化燕山石油化工有限公司急國家防疫之所急，緊急開展專項技術攻關，用最快的速度試產成功聚丙烯熔噴無紡布專用料向下游廠家供貨[2]，見圖1。上海石化金昌公司也開足馬力全力生產，向市場批量投放熔噴專用料；另一家化工央企中國化工集團所屬天華化工機械及自動化研究設計院積極提供醫用級熔噴材料生產全套技術和設備，馳援醫用材料生產企業迅速升級擴產。

中國化工集團旗下中昊晨光化工研究院創新性地運用為航天、航空領域開發研究的新型材料e-PTFE 微孔膜，制作過濾性能高效、可重復使用的防護口罩。這款被譽為“春味”的新型口罩一經問世便受到廣泛關注。近日，這款口罩通過美國和歐盟有關機構的認證。中昊晨光化工研究院將第一批產品首先向中國化工設在海外的企業提供。在新冠疫情全球爆發的嚴重風險下，8.7 萬名中國化工的外籍員工的個人防護優先得到妥善保障。參見本刊封面照片[2]。中國化工人在國家和人民最需要的關鍵時刻，履行國有企業職工和科研工作者的社會責任。實現總書記的要求，打好防控新冠疫情的人民戰爭有了堅實的保障。

2 熔噴無紡布，防護口罩的“心臟”

圖2 高倍放大后的熔噴無紡布微觀結構

說起來，熔噴無紡布技術算得上一項“軍轉民”技術，它起源于20 世紀50 年代[3]。美國為了收集高層大氣中的放射性粒子研發超細過濾材料，集合了化學工業的高分子材料加工技術與紡織工業的無紡織物制造技術，在材料學科領域形成一項高效化學無紡織物過濾材料的全新技術。圖2 是電子顯微鏡下的聚丙烯熔噴無紡布微觀結構。

簡單地說，熔噴技術就是將熔融形態的高聚物在高速空氣動力的作用下達到超細纖維化，在冷卻的同時利用自身的熱粘結性實現適度粘連；采用駐極技術，利用靜電的同性相斥原理使三維無紡織物的密度適宜孔隙均勻。新型高效的熔噴無紡布過濾材料最適宜做衛生材料，它的誕生在一夜之間把醫務界使用上百年的紗布口罩徹底淘汰[4]。圖3 是中國人民解放軍醫療隊員佩戴防護口罩，準備登機馳援武漢執行救治任務。

醫學防護等級根據要求一般分為三級。醫用防護口罩、醫用外科口罩等平面口罩(三層織物構成，外觀多呈淺藍色)可以用于一級防護，主要針對日常環境中攜帶病原體飛沫的有害傳播。而對于在防疫一線的醫務人員和專業人員來說一級防護遠遠不夠，面對高密度病毒氣溶膠的近距離威脅必須進行三級防護，需要佩戴N95(美國國家職業安全與健康研究所提出的標準，在NIOSH 標準規定的檢測條件下，對粒徑大于等于0.3μm 的顆粒阻隔率達到95%以上)、KN95 這樣的立體構型防護口罩(多層織物構成)[5-7]。以熔噴無紡布為核心材料的N95 等口罩所用的材料和結構并無太大區別，提高防護能力的關鍵措施，是增加口罩中間熔噴無紡布的層數。圖4 是醫學防護口罩SMS 結構示意圖。

圖4 醫學防護口罩SMS結構示意圖

在口罩中間的防護層(簡稱M 層)就是聚丙烯熔噴無紡布，口罩的正、反兩面是對防護層提供包覆和支撐，并防止水汽侵入的紡粘層(簡稱S 層)。根據防護等級的要求M 層可以放置一到多層。如果是一級防護用口罩(如：醫用防護口罩、醫用外科口罩)，一層M 層就夠了；而像N95 這樣的用于三級防護的口罩，M 層可能要放三層甚至更多。當然，M 層層數越多，口罩的透氣性越差，具體的產品會各有不同。這樣一說就不難理解，為什么稱熔噴無紡布是防護口罩的“心臟”了。

需要注意的是，裝有呼氣閥的口罩雖然降低了佩戴者的呼氣阻力，但是對佩戴者的呼吸幾乎沒有“管理”作用，不利于公共防護。因此這類口罩只適合防塵、防霧霾等非醫學防護[8]，不適合在醫院或其他病毒高風險地區使用。

3 兩大御敵本領：物理攔截與靜電吸附

熔噴布熔噴無紡織物的工藝技術已經非常的成熟，其產品也廣泛使用于社會生活與生產的很多領域。醫用口罩(包括用于3 級防護的N95 口罩)所用的熔噴布主要以聚丙烯(PP)為原料。

眾所周知，傳統的過濾材料主要依賴織物纖維的縫隙實現過濾和通氣的效能，但過濾雜質與通透空氣是一對矛盾。多數病毒的物理形態在納米尺度(單個病毒大約10nm，10-8m),傳統材料基本不具備攔截功能，而先進的熔噴織物依靠對細小顆粒優異的攔截功能和獨特的吸附功能，具備比傳統口罩高百倍的防護效能[9]。這主要歸功于熔噴織物的兩大御敵本領：物理攔截與靜電吸附。圖5 熔噴纖維防護效能的示意圖。

圖5 熔噴纖維防護效能的示意圖

3.1 物理攔截

過濾材料依靠紡織或非織造工藝實現纖維在空間的密集，從而對流動的空氣形成“阻塞”效應，空氣中較大顆粒或是因為與纖維碰撞、截停，或是因纖維網格狹縫被“攔阻”在過濾材料的一側。某些顆粒可能被阻塞在過濾材料的孔隙中。增加攔截效應的一個關鍵是提高纖維的細度和空間密度，即纖維的直徑要盡可能細小，纖維間的孔隙盡可能密集，以有利于攔截更細微的顆粒。采用數字控制的先進熔噴裝置可以連續制造纖維直徑達到亞微米級(0.1～2μm)，可形成孔隙微細、密集度大、縫隙均勻的三維熔噴織物。攔阻效率遠遠高于天然纖維過濾材料，可以有效攔阻含病毒的飛沫和其它粒徑在微米量級的有害顆粒。

對于空氣中的非生物顆粒(如：沙塵、PM2.5 等)，口罩的凈化效能主要看過濾材料的攔截能力。熔噴織物的物理攔截作用基本可以勝任。然而，孔隙細小到一定程度口罩的透氣作用就會失效。因此單純依靠攔截過濾，對呈現氣溶膠狀態傳播的有害微生物本體攔阻作用不大，防護效果不能令人滿意。

3.2 靜電吸附

靜電有對輕微物體吸附的功效，熔噴織物主要依賴靜電效應吸附微顆粒的。眾所周知，棉纖維等傳統的天然纖維產生和攜帶靜電的能力都很弱，因此紗布口罩基本沒有吸附效能。而采用非極性高分子聚合物(如聚乙烯、聚丙烯等)制作的纖維極易產生靜電，這一點，大家可以對比穿著純棉服裝和化纖服裝的感受。聚丙烯(PP)具有較高的電阻率,因此通過靜電感應或摩擦產生的電荷易積累而不易散失，纖維表面單位面積承載電荷的容量較大,是具有長久保留電荷能力的駐極電介質材料首選。熔噴纖維直徑超細，更是靜電產生和保持的絕佳材料，使其“天生”就具備極好的吸附效能。科研工作者對如何產生和保持過濾材料的靜電效能做了大量的工作，目前熔噴無紡布生產廠家成熟運用電暈技術使熔噴織物“駐極化”，從而帶有持久的靜電荷[10]。

需要提到的是圖6 展示的活性炭口罩，也有吸附作用。但它主要依賴的是化學吸附(分子間力作用)，不是靜電吸附，吸附的對象主要是小分子化學物質。因此它適合用于針對環境中有害化學氣體或者異味對人體的危害，而活性炭的多孔結構易于滯留有害微生物。因此此種口罩不適于用來針對飛沫或病毒氣溶膠等的醫學防護[11]。

圖6 活性炭口罩不適用于醫學防控

病毒、細菌等微生物本體由于自身有機形態的構成，在體表都有一定的負電荷，這正有利于利用熔噴纖維表面的正電荷吸附凈化。厚度不足0.1mm 的熔噴無紡布，可對0.3μm 的氯化鈉顆粒物過濾效果大于70%。由于熔噴織物有了靜電吸附這種“獨門絕技”，其當仁不讓地成為醫學防護口罩材料的首選。

4 正確佩戴，物盡其用

4.1 佩戴注意事項

熔噴無紡織物技術為人類戰勝新冠疫情提供了前所未有的防護保障，在佩戴使用口罩時必須遵循嚴格的要求。圖7 展示了防護口罩的正確佩戴方法。除了應正確佩戴外，還應特別注意要保持口罩的干燥。水是靜電的去除劑，口罩遇水或潮濕后，熔噴材料的靜電荷就會損失，口罩的防護功能衰減。

圖7 防護口罩的正確佩戴方法

它地區的一般人員來說，佩戴口罩主要是防飛沫，口罩不必須一次性使用。但是要注意一般不建議用水或酒精洗滌，也不要高溫蒸煮口罩。可簡單進行消殺(比如：紫外線照射或陽光曝曬)后再次使用。

4.2 科學再生，“一次性”口罩可復用

對于口罩的再次使用方法也要科學合理。最近，北京化工大學陳建峰院士(中國工程院院士、北京化工大學副校長)研究團隊實驗發現，對普通一次性醫用平面無紡布口罩進行二次荷電處理，可以使其再生靜電效應而達到可重復使用，參見圖6。由此提出了“口罩荷電再生重復使用”技術方法及其導則。即：將使用后的一次性醫用無紡布口罩置于56℃以上熱水泡30min 消毒處理(參見新型冠狀病毒肺炎防控方案(第四版)[12])，隨后采用電吹風機等家用電器設施對“失效”的口罩進行吹干和再生荷電處理。口罩中熔噴材料受電吹風機產生的熱空氣摩擦，或受靜電電場的感應重新獲得靜電電荷。研究人員介紹，試驗測試表明該技術方案對水洗后的口罩進行二次荷電處理，可恢復熔噴織物接近原有攜帶靜電量的90%，使口罩重新具備靜電吸附功效[13]。這為在非常時期解決口罩再生重復使用問題，提供的一種簡便易行的方法。研究人員特別強調，再生口罩不推薦密切接觸患者的人群、醫護人員及實驗室工作人員使用，但是廣泛適用于較低風險場所人員使用。

5 結語

新材料技術與醫學技術、環境技術、信息技術等科學技術相互融合發展，讓人類健康更有保障。曙光在前，我們有信心、有能力在黨中央的正確領導下戰勝新型冠狀肺炎疫情。中國人民前進的腳步不會由于疫情的困擾而停滯。