一種具有人工智能的呼塵改障塵高聚能新材料

呂愛民

（北京健翔嘉業(yè)日用品有限責任公司，北京102200）

0 引言

塵肺病，是我國目前危害最嚴重且量大面廣的職業(yè)病，是不可逆轉、不可治愈的致殘性疾病，造成塵肺病的直接原因是接塵人員吸入“呼吸性粉塵”并在肺中潴留引起巨噬細胞性肺炎和肺纖維化。

粉塵在空氣中通常處于分散狀態(tài)，空氣是分散介質，粉塵是分散相，職業(yè)安全健康領域和民用日常健康領域對顆粒物的關注尺寸是微米級μm，（醫(yī)療衛(wèi)生健康領域對顆粒物的關注尺寸即有微米級μm 也有納米級nm）。粉塵特性和幾何特征是防塵技術體系中最基本的內容，凡涉及過濾材料及防塵口罩的制造和應用,均離不開對粉塵特性和幾何特征的描述，離開了對粉塵特性和幾何特征的描述，有關過濾材料及防塵口罩的標準應用技術評價體系將無法建立。

呼吸性粉塵，是指空氣動力學直徑均在7.07μm 以下，空氣動力學直徑5μm 粉塵粒子，采樣效率為50%，簡稱“呼塵”。7μm 的塵粒只能到達人體鼻咽部，2μm以下的塵粒可以到達人體肺部造成塵肺（圖1）。

如果能將“呼吸性粉塵”改性成體量＞7 ～10μm以上不能進入肺部的“障礙性粉塵，人們不但可以避免罹患塵肺病，也可以避免空氣污染環(huán)境下PM2.5 顆粒物給人體造成的損害。

圖1 不同粒徑粉塵到達呼吸系統(tǒng)的位置

呼吸性粉塵對人體危害極大，對呼吸性粉塵的防御是世界課題，對呼吸性粉塵的技術防控是重點和難點，呼吸性粉塵涉及職業(yè)接觸人群量大面廣，防治專業(yè)技術水平要求高。2019 年8 月27 日，國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的國家強制性職業(yè)衛(wèi)生標準 GBZ2.1-2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值笫1 部分：化學有害因素》，將“呼吸性粉塵”列為優(yōu)先防御目標。

為解決防御呼吸性粉塵這一世界課題，北京健翔嘉業(yè)日用品有限責任公司，經過多年技術攻關，發(fā)明了改性障礙性粉塵的高聚能復合阻塵材料及制備方法與應用。

障礙性粉塵，是指呼吸性粉塵與LV-2.1 高聚能材料接觸時發(fā)生黏附凝聚，將＜7μm 的多分散粉塵改性團聚成體量＞7 ～10μm 以上的單分散粉塵，這種體量＞7 ～10μm 以上的單分散粉塵不能到達人體肺泡區(qū)，定義為“障礙性粉塵”，簡稱“障塵”。技術簡稱：呼塵改障塵高聚能新材料。

1. 傳統(tǒng)過濾理論與傳統(tǒng)過濾材料

1.1 傳統(tǒng)過濾理論

過濾是指將一種分散相從一種連續(xù)相中分離出來的過程，是分離捕集氣體、液體、顆粒的一種方式和技術。過濾材料是一種具有較大表面積和孔隙的非紡織材料，它能有效地捕獲固體顆粒，當含塵氣流與濾料接觸時，氣流穿過濾料，固體顆粒被攔截在濾料上。傳統(tǒng)過濾機理主要有：沖擊作用、擴散作用、攔截作用、布朗作用、靜電作用。無論哪種過濾機理，粉塵的沉積都是由塵粒與纖維表面碰撞而被捕集的，塵粒與纖維表面碰撞機會越多，越容易被捕集，這與纖維比表面積有關，比表面積越大，塵粒與纖維表面碰撞概率也越大，過濾效率也越高，引起的呼吸阻力也越大。

在常濕/高濕不同氣象條件下，粉塵理化特性有著不同的表現(xiàn)特征，各過濾機理起的作用也不同，一般情況只有一個或兩個過濾機理起主導作用，例如：在40%相對濕度(Relative Humidity RH)常濕環(huán)境下，熔噴過濾布可發(fā)揮過濾作用，在70%RH 高濕環(huán)境下靜電纖維幾乎沒有捕塵效能。

1.2 傳統(tǒng)過濾材料

傳統(tǒng)過濾材料主要有，聚四氟乙烯膜、熔噴過濾布、靜電纖維。

1.2.1 聚四氟乙烯膜(PTFE)（圖2）

其優(yōu)點是：膜薄、過濾效率95%～100%。缺點是：阻力高，接塵加載時易出現(xiàn)蠕變，耐磨性差，容易被磨琢性較高的鋁塵、矽塵等金屬粉塵或非金屬無機粉塵磨破擊穿，聚四氟乙烯膜是表面過濾，過濾時粉塵不能進入膜料內部，都掛在膜料表面，容塵量少。煤塵容塵性能測試顯示：加塵2 h 聚四氟乙烯膜表面掛塵47mg/m2，吸氣阻力就達到454 Pa，這個數(shù)值超過了AQ 1114-2014 煤礦用自吸過濾式防塵口罩標準5.9 容塵性能a)加塵2 h 后，在(30±2.5 ) L/min 流量時吸氣阻力不大于100 Pa，在(85±4) L/min 流量時吸氣阻力不大于300 Pa 的指標。（煤塵，強制性國家職業(yè)衛(wèi)生標準GBZ2.1-2019 工作場所有害因素職業(yè)接觸限值笫1 部分：化學有害因素 4.2 工作場所空氣中粉塵的職業(yè)接觸限值 表2，序號23）。GB 2626-2019 呼吸防護自吸過濾式防顆粒物呼吸器，附錄B，表B.1。

1.2.2 熔噴過濾布（圖3）

在臨床上，一部分患者像楊女士這樣，因為便血等癥狀而檢查出腸道息肉，還有更多的患者并沒有癥狀，是通過體檢發(fā)現(xiàn)了消化道內的息肉。那么，這種沒有癥狀的消化道息肉到底要不要治療？會不會癌變？查出消化道息肉又要怎么對待呢？

其優(yōu)點是：過濾效率90%～99%，纖維力學性能較好。缺點是：接收油性粉塵時容易被“糊死”。一些口罩生產企業(yè)宣傳其口罩所謂的“高效低阻”，僅僅是對潔凈熔噴過濾布初始效率和阻力的評價，實際接塵中潔凈熔噴過濾布只在極短的時間內出現(xiàn)，當粉塵顆粒沉積覆蓋在熔噴布上形成顆粒層時，過濾形式就變成了典型的“塵濾塵”，顆粒層孔隙率為0.6%～0.9%，后續(xù)熔噴布的過濾形式是有顆粒層共同參與的攔截收集形式，口罩使用時，初始阻力來自于熔噴過濾布本身，容塵后的阻力來自于顆粒層。在氣-固分離過程中，運動塵粒所受到的介質阻力始終存在，不穩(wěn)定過濾貫穿整個過程，實體塵粒通常是非球形的，熔噴過濾布接觸非球形塵粒的阻力比接觸球形塵粒的阻力上升速度快，熔噴過濾布初始效率和阻力“高效低阻”的公式很快失去意義。另一個不可控的是，熔噴過濾布接受40 ℃煙塵時部分水蒸氣冷凝結露形成露點，露點中含有的三氧化硫酸性物質，可形成酸露點，酸露點可使熔噴布過濾效率下降，阻力上升。

圖2 聚四氟乙烯膜

圖3 熔噴過濾布

圖4 駐極靜電棉

圖5 靜電紡絲纖維

1.2.3 靜電纖維

靜電纖維分兩種，一種是駐極靜電棉（圖4），一種是靜電紡絲纖維（圖5）。

1.2.3.1 駐極靜電棉

“駐”指施加“極”指電荷。簡單地說就是將電荷附著在聚丙烯熔噴布表面。駐極靜電棉優(yōu)點是：干燥空氣中可捕捉帶電荷的粉塵顆粒，容塵量150 mg/m2左右、阻力25 Pa 左右。駐極靜電棉缺點是：捕塵率低，只有51%～54%，究其原因：物質在粉碎過程中和流動中互相摩擦或吸附空氣中離子而帶電，粉塵荷電量除取決于其粒徑大小、密度外，還與環(huán)境溫度和濕度有關，溫度高荷電增加；濕度高荷電減少，漂浮在空氣中的塵粒90%帶正電荷或負電荷，其中，帶正電荷的約占40%～51%；帶負電荷的約占37%～54%；不帶電荷的約占9%。按帶電順序，任何兩種物質接觸，在前面的物質帶正電荷，在后面的物質帶負電荷（±）。駐極靜電棉或帶正電荷或帶負電荷，帶正電荷的靜電棉只能捕捉帶負電荷的粉塵顆粒，捕塵率為37%～54%；帶負電荷的靜電棉只能捕捉帶正電荷的粉塵顆粒，捕塵率為40%～51%，駐極靜電棉對其他9%不帶電荷的粉塵顆粒沒有引力捕捉作用。當空氣濕度在70%RH 以上時，粉塵顆粒表面被水氣膜包裹不荷電，駐極靜電棉表面電荷被水分子淹蓋極性衰減，靜電引力捕塵功能喪失，駐極靜電棉蛻變成容塵棉。

另外，駐極靜電棉電荷極阱淺，駐極纖維表面電荷易脫阱流失，靜電引力捕塵效能不受控，油性粉塵或煙氣或有機氣體可以中和駐極靜電棉電荷，導致靜電引力捕塵功能失效。

1.2.3.2 靜電紡絲纖維

靜電紡絲技術是利用高壓靜電作用使聚合溶液或溶體帶電并發(fā)生形變，在噴頭末端處形成懸垂的錐狀液滴，當液滴表面靜電斥力大于表面張力時，液滴表面就會噴射出高速飛行的射流，并在較短時間內經電場力拉伸、溶劑揮發(fā)、聚合物固化形成纖維，靜電紡絲過程中聚合物溶液被負載上正電壓，致使許多正電荷被注入紡絲液體系中，形成表面電荷及體積電荷。靜電紡絲纖維優(yōu)點是：纖維直徑小，纖維均一性好，孔隙率高，過濾效率高。靜電紡絲纖維缺點是：當空氣濕度在70%RH 以上時，粉塵顆粒表面被水氣膜包裹不荷電，靜電纖維表面電荷被水分子淹蓋極性衰減，靜電引力捕塵功能喪失，靜電紡絲纖維力學性能與普通纖維材料相比仍存在一定的差距，使其服役性和耐久性難以進一步提升，如何增強靜電紡絲纖維材料的力學性能一直是靜電紡絲技術領域研究的重點和難點[1]。

1.2.4 靜電纖維捕塵條件與作用

從電子理論看，只有當電荷密度達到1 021 個電子/cm3時，靜電引力才有顯著作用，實驗中5 個靜電纖維采樣標本一個測得的電荷密度為1 022 個電子/cm3，一個測得的電荷密度為1 014 個電子/cm3，其余3 個靜電纖維采樣標本基本沒有電荷，干燥空氣下，粉塵表面的最大荷電量約為2.73×10-9C/cm2，而天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般僅為最大荷電量的1/10 量級，電量很小[2]。

靜電力通常比液橋力和范德華力小，除非對荷電很強的粉塵靜電才能發(fā)揮凝聚作用，而＜1μm 的粉塵很難荷電，因此，即使口罩纖維界面靜電存在，在人體呼出潮氣水分子淹蓋下它對捕塵的強度也是有限的[3]。靜電纖維接塵濃度超過40 mg/m3時纖維表面電場被覆蓋發(fā)生電極閉塞，靜電捕塵性能歸零，當粉塵不帶電荷時，靜電纖維引力捕塵就失去了評價的意義。靜電纖維捕塵雖有一定的道理，但未檢索到有價值的報告。從檢測方法看，氯化鈉是非離子不帶電，用氯化鈉介質測試靜電纖維過濾效率反映的是誘導力不是靜電力，誘導力的強度很小也很脆弱。

2. 呼塵改障塵高聚能新材料

呼塵改障塵高聚能新材料是呼吸防護裝備技術領域最新一代人工智能防塵新材料，它是將SMG 高分子物質溶入粘膠纖維經特殊工藝紡絲而成的具有表面活性的、可將呼吸性粉塵改性成障礙性粉塵的高聚能材料（圖6），高聚能材料具有螺紋結構（圖7），這種螺紋結構特征有助于空氣流通，可滿足循環(huán)氧量和所需的調濕效應。呼塵改障塵高聚能新材料響應人體呼吸號召生成的活性因子具有優(yōu)異的鋪展性，穩(wěn)定的共價健，材料柔軟光滑，具有絲綢般的品質。

2.1 呼塵改障塵高聚能新材料效能測試：選用有毒性的、表面性質活躍的、黏性差的、疏水性的、最具代表性的、粒徑為1.3μm 的標準呼吸性矽塵，作為呼塵改障塵高聚能新材料效能測試介質。矽塵是我國最嚴重的職業(yè)有害因素之一，我國接觸矽塵的人數(shù)量大面廣、患矽肺病的人數(shù)居世界首位。研究證實：新鮮矽塵（粒徑＜5μm）在JB6P+ 細胞中引起AP-1 活化能力比在空氣中放置一年的陳舊矽塵（粒徑＜5μm）高4.75 倍。動物實驗結果顯示：新鮮矽塵比陳舊矽塵更易引起肺炎，致病性更強。Saffiotti 報道，對雄性Fischer 大鼠而言，接觸新鮮矽塵比陳舊矽塵更易導致肺部滲出液的形成，肺部損傷的生化改變[4]。矽塵是強制性國家職業(yè)衛(wèi)生標準GBZ2.1-2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學有害因素4.2 工作場所空氣中粉塵職業(yè)接觸限值》序號40 標準呼塵。呼塵改障塵高聚能新材料效能測試數(shù)據(jù)見表。

圖 6 呼塵改障塵高聚能新材料

圖7 呼塵改障塵新材料螺紋結構

呼塵改障塵高聚能新材料效能測試數(shù)據(jù)

2.2 國家知識產權局評價報告認為，呼塵改障塵高聚能新材料，是將普通過濾材料對粉塵的“單一過濾效率功能”改性成以范德華引力、卡西米爾引力、液橋引力和靜電引力集合為“四位一體的引力團聚增大功能”，運用“四位一體引力團聚增大功能”，將多分散“呼吸性粉塵”改性成體量大于7 ～10μm 以上不能進入肺泡區(qū)的單分散“障礙性粉塵”，“障礙性粉塵”因其體量龐大使之不能通過氣管到達人體肺泡區(qū)，接塵人員可以避免罹患塵肺病或呼吸系統(tǒng)疾病（圖8）。

圖8 “四位一體引力團聚增大功能” 模型

2.3 呼塵改障塵的過程是粉塵顆粒界面氣-固-液三相變量過程；是物質從一相轉移到另一相的過程，含塵氣流體系中不僅有氣體單相流動，也有氣體-固體兩相流動，還有氣體-固體-液體三相流動。

2.4 呼塵改障塵高聚能新材料是具有人工智能的新技術，它對環(huán)境因素有感應能力；對粉塵特性有變量能力（圖9）；對人的呼吸有調節(jié)能力，如同人的智慧一樣，不僅能發(fā)現(xiàn)識別呼塵，還能將呼塵改成不入肺的障塵。呼塵改障塵高聚能新材料新技術方案改變了傳統(tǒng)過濾技術一味追求高效率必然造成高阻力的結果，克服了傳統(tǒng)過濾材料對有機塵、無機塵、帶電塵、不帶電塵、油性塵、非油性塵、金屬塵、非金屬塵等呼吸性粉塵無法實施統(tǒng)一防御的不足。

2.5 呼塵改障塵高聚能新材料SMG 活性因子吸收人體呼出潮氣或吸收濕潤空氣產生濕敏效應生成極性泡沫群（圖10），SMG 極性泡沫群隨pH 變化帶正電荷或負電荷，帶正電荷的泡沫可對帶負電荷的細菌病毒結構實施破壞使其干枯分離死亡。SMG 極性泡沫群對＜100 mN/m 低表面能粉塵和＞100 mN/m 高表面能粉塵均有潤濕刺破表面氣膜使之相互團聚變大沉降滯留的作用，效果十分理想。生命科學中，人體呼出潮氣是不停息的；呼塵改障塵高聚能新材料SMG 活性因子吸收人體呼出潮氣產生濕敏效應起泡不停息；泡沫群對粉塵顆粒潤濕團聚捕捉不停息；直到呼塵改障塵高聚能新材料容塵量達到容塵限值。2.6 呼塵改障塵防護口罩材料組合模型（圖11）。

圖9 呼塵改障塵變量

圖10 極性泡沫群

圖11 呼塵改障塵防護口罩材料組合模型

預防塵肺病最有效的辦法，是將呼吸性粉塵改成障礙性粉塵，障礙性粉塵不能進入肺部。呼塵改障塵高聚能新技術材料，成功地解決了衛(wèi)生健康管理部門、工業(yè)企業(yè)用人單位、接塵人員和呼吸防護用品生產企業(yè)一直渴望解決但始終未能獲得成功的技術難題。