口罩的核心材料有多難造？

七君

經(jīng)過這幾個(gè)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(gè)夾層——熔噴棉。

外科口罩像個(gè)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(fā)后，熔噴棉的價(jià)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(shù)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(yīng)求呢？簡單來說，這是因?yàn)獒t(yī)用熔噴棉的纖維特別細(xì)，制造醫(yī)用熔噴棉的機(jī)器特別貴而且交貨時(shí)間很長。

熔噴棉為什么能過濾？

20世紀(jì)50年代，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）首次采用熔噴技術(shù)制造過濾放射性物質(zhì)的纖維。現(xiàn)在，熔噴技術(shù)除了可以制造過濾水和氣體的濾材，還被用于制造工業(yè)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(shí)際上，熔噴技術(shù)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(fēng)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?yàn)槔w維超細(xì)，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(shí)，聚丙烯熔化以后被拉成絲，然后結(jié)成網(wǎng)。和紡粘無紡布相比，熔噴棉的技術(shù)高端多了，實(shí)際上熔噴技術(shù)是目前唯一用于大規(guī)模生產(chǎn)微米級纖維的技術(shù)。

熔噴棉的制造過程類似于做棉花糖。機(jī)器產(chǎn)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(xì)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(yī)用熔噴棉制造過程中很關(guān)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(shí)提高透氣性呢？

1995年，田納西大學(xué)的工程學(xué)家蔡秉燚想到了靜電除塵技術(shù)。在工業(yè)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(wǎng)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(fā)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(shù)，才有了N95口罩。世界上數(shù)十億人的生命都被這種技術(shù)保護(hù)著。

熔噴棉為什么產(chǎn)能不足？

熔噴棉制造過程中最難的部分可能就是制造生產(chǎn)熔噴棉的機(jī)械了。今年3月，德國熔噴機(jī)械供貨商在接受美媒（NPR）采訪時(shí)表示，為了保證纖維夠細(xì)且質(zhì)量穩(wěn)定，熔噴機(jī)器需要很高的精度，一臺機(jī)器的生產(chǎn)和組裝時(shí)間至少要5-6個(gè)月，每臺機(jī)器的價(jià)格可達(dá)400萬美金，市面上許多機(jī)器的質(zhì)量無法達(dá)標(biāo)。而且能夠提供合格熔噴棉設(shè)備噴頭的廠家也不多。

雖然我國口罩年產(chǎn)量約占全球的50%，但根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會2月份的數(shù)據(jù)，全國熔噴無紡布產(chǎn)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(jī)械的價(jià)格和機(jī)器交貨時(shí)間，小型企業(yè)是不太可能在短時(shí)期生產(chǎn)大量合格的熔噴棉的。

埃克森美孚生產(chǎn)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(yī)用口罩應(yīng)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(jī)烤，熔噴棉會卷起來，但是不會著火。

最后，醫(yī)用熔噴棉帶有靜電，所以可以吸起小紙片。撕一些小塊衛(wèi)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(fù)使用口罩，N95發(fā)明人蔡秉燚的消毒建議：使用70攝氏度的熱風(fēng)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(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”微信公眾號，有刪節(jié)