口罩的核心材料有多難造？

七君

經過這幾個月的疫情，許多人都知道外科口罩和N95口罩的核心就是中間的那個夾層——熔噴棉。

外科口罩像個夾心餅干，外面的兩層是紡粘無紡布，中間的是熔噴棉。不管是紡粘無紡布，還是熔噴棉，都不是棉花做的，而是塑料聚丙烯（PP）做的。

外科口罩的前后兩層無紡布是沒有過濾微生物的功效的，它們只能阻隔液滴，只有中間的那一層熔噴棉才具有過濾病菌的作用。

新冠爆發后，熔噴棉的價格也是飛漲，從之前的一噸6000美金，漲到了一噸6萬美金。

用靜電除塵技術過濾空氣

可是問題來了，紡粘無紡布和熔噴棉的原材料都是聚丙烯，為什么只有熔噴棉才有過濾病菌的功能，而且它供不應求呢？簡單來說，這是因為醫用熔噴棉的纖維特別細，制造醫用熔噴棉的機器特別貴而且交貨時間很長。

熔噴棉為什么能過濾？

20世紀50年代，美國海軍研究實驗室（NRL）首次采用熔噴技術制造過濾放射性物質的纖維。現在，熔噴技術除了可以制造過濾水和氣體的濾材，還被用于制造工業上的隔熱材料礦棉（Mi

夏威夷火山電線桿上的火山毛

neral wool）。

實際上，熔噴技術靈感來自自然界。你大概不知道，大自然也會制造熔噴材料哦。在火山口附近常有一些火山毛，這是玄武巖巖漿被火山口的熱風吹成的巖石纖維。

電子顯微鏡下的熔噴棉纖維

纖維的過濾效率（FE）是纖維的平均直徑和填充密度決定的，纖維直徑越小，過濾效率越高。

熔噴棉成品纖維的直徑在0.5-10微米之間，而紡粘層纖維直徑在20微米左右。因為纖維超細，所以熔噴棉有很大的表面積，可以吸附各種微顆粒。更厲害的是，熔噴棉還比較透氣，因此是制作口罩濾芯的好材料，而紡粘無紡布不行。

制作普通紡粘無紡布時，聚丙烯熔化以后被拉成絲，然后結成網。和紡粘無紡布相比，熔噴棉的技術高端多了，實際上熔噴技術是目前唯一用于大規模生產微米級纖維的技術。

熔噴棉的制造過程類似于做棉花糖。機器產生高速熱氣流，熱氣流將熔化的聚丙烯從開口極小的熔噴噴頭噴出，形成聚丙烯噴霧。霧一般的超細纖維會在滾筒上聚集起來，成為熔噴無紡布。

靜電提升過濾效率

熔噴棉過濾效率受直徑和填充密度影響。如果織得太密太厚，口罩就不透氣，戴的人就很難受，能讓人感覺不會憋氣的熔噴布過濾效率就只有25%。那么N95口罩的95%過濾效率是怎么來的呢？這就要聊一聊醫用熔噴棉制造過程中很關鍵的一步了——靜電駐極處理。

怎樣才能在保證過濾效率的同時提高透氣性呢？

1995年，田納西大學的工程學家蔡秉燚想到了靜電除塵技術。在工業上（比如工廠的煙囪），為了過濾極小的顆粒，工程師會用電場給微粒帶電，然后用電網把它們吸住。

許多人都曾嘗試給塑料纖維帶電，最終來自中國臺灣省的蔡秉燚成功了，他為3M發明了一種給塑料帶電的方法，將空氣離子化，為熔噴布帶靜電，使其變成駐極體——一種可永久帶電的材料。帶靜電的熔噴布過濾效率提高了10倍，還能夠過濾直徑為100納米左右的顆粒，比如新冠病毒。可以說，有了蔡秉燚的技術，才有了N95口罩。世界上數十億人的生命都被這種技術保護著。

熔噴棉為什么產能不足？

熔噴棉制造過程中最難的部分可能就是制造生產熔噴棉的機械了。今年3月，德國熔噴機械供貨商在接受美媒（NPR）采訪時表示，為了保證纖維夠細且質量穩定，熔噴機器需要很高的精度，一臺機器的生產和組裝時間至少要5-6個月，每臺機器的價格可達400萬美金，市面上許多機器的質量無法達標。而且能夠提供合格熔噴棉設備噴頭的廠家也不多。

雖然我國口罩年產量約占全球的50%，但根據中國產業用紡織品行業協會2月份的數據，全國熔噴無紡布產量不到10萬噸/年，熔噴無紡布的缺口很大。

考慮到熔噴布制造機械的價格和機器交貨時間，小型企業是不太可能在短時期生產大量合格的熔噴棉的。

埃克森美孚生產的熔噴噴頭 @Advances in Technical Nonwovens

判斷合格口罩的方法

怎樣判斷口罩是合格的，是用熔噴棉做的呢？

首先，外層紡粘無紡布具有防水性，合格的醫用口罩應該是防水的。倒水在口罩上是不會漏的。

其次，聚丙烯遇熱容易熔化但不容易著火。用打火機烤，熔噴棉會卷起來，但是不會著火。

最后，醫用熔噴棉帶有靜電，所以可以吸起小紙片。撕一些小塊衛生紙，把口罩蓋在上面，真口罩可以把它們都吸起來。

如果需要重復使用口罩，N95發明人蔡秉燚的消毒建議：使用70攝氏度的熱風為口罩消毒30分鐘，不會影響口罩的靜電。但是，酒精會把熔噴布的電荷帶走，不要用酒精對口罩消毒。

本文經授權轉載自“把科學帶回家”微信公眾號，有刪節