一只口罩的科技含量

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口罩是目前距离老百姓最近的医学防护用品。抵御细菌病毒及微细颗粒物通过呼吸道对人体的侵害,都离不开它。

在抗击新冠肺炎疫情的非常时期,小小的口罩撑起了大大的一片天,发挥了巨大的作用。从聚丙烯颗粒到医用无纺布,经过口罩机的加工,一只只口罩轻盈而出,再经过严格的消毒,最终成为当前抗击疫情的核心防护物资。

每一个口罩都蕴涵着科技元素。记者近日采访了有关专家,为您揭开关于口罩的科学秘密。

口罩的雏形最早出现于中国,当时它是一种围巾,用来遮住口鼻以免呼出的浊气污染食物。随着西方医学的发展,口罩开始用于避免唾液飞溅到外科手术伤口上,并逐渐被推广到临床应用,作为一种防护用具使用。

口罩变成公众常备用品,是伴随着“西班牙流感”而来。从1918年3月到1919年底,全世界大约20%的人感染了“西班牙流感”,疫病蔓延期间,口罩变成了疫区人民必要的常备用品,在预防、阻断病毒传播方面,发挥了积极作用。

2003年抗击“非典”期间,口罩在中国的使用和普及达到高潮。而当前呼吸系统传染病和空气污染,使人们越发地认识到了口罩的防护价值。

“常见的医用外科口罩由表层抗湿层、中间过滤吸附层及内层贴肤层三部分组成,其中,表层抗湿层及内层贴肤层多为纺粘非织造布,而中间过滤吸附层包含一层或多层带有静电的熔喷非织造布,起到核心防护作用。”河北科技大学纺织服装学院院长张威说。

据介绍,熔喷布由超细纤维组成,直径集中分布于1微米-5微米之间,纤维间形成数量众多的小孔径通孔,使熔喷布具有一定的透气性与过滤功能;纺粘布具有较高的强力,纤维直径在15微米-40微米。

但记者调查发现,新型冠状病毒尺寸很小,直径约60-220纳米。相较而言,熔喷非织造布的纤维间空隙依旧很大,那么它是如何起到过滤病毒的作用呢?

新冠肺炎和其他大多数的呼吸道传染病的病毒随呼吸道飞沫(粒径1微米-5微米)进入空气中,飞沫只能在传染源1米至2米的空间内近距离传播。进入空气中的飞沫很快蒸发,病毒就会依附在空气中飘浮的微细颗粒物上,在有限、密闭空间内达到一定浓度,就会随空气进入呼吸道而对人体造成伤害。

“熔喷非织造布作为核心过滤层对含病毒的飞沫或微细颗粒物具有良好的过滤效果。”张威介绍。

“大颗粒由于自身惯性较大,在跟随气流时无法及时转向,会直接撞到过滤纤维上被拦截下来。”张威进一步解释,“惯性撞击”的物理作用可以阻挡一部分较大的颗粒。还有一些大颗粒在通过口罩时会因为直径太大或受到重力作用明显,沉降到过滤纤维上。“粒径越大的颗粒就越容易因为自身惯性作用和过滤纤维拦截机制而被口罩过滤层拦截下来。”

“还有部分小的悬浮颗粒受分子热运动影响,与空气气体分子撞击后,不停地做无规则运动。”张威介绍,这种无规则运动的现象叫作布朗运动,做布朗运动的粒子非常微小,直径约1纳米-30纳米,在周围液体或气体分子的碰撞下,这些较小的悬浮颗粒在跟随气流运动时偏离原有方向,有更大的机会运动到纤维表面而沉降下来。

此外,细微颗粒物和过滤材料都有可能带静电,细微颗粒会因电荷之间存在的作用力或诱导力而沉降在过滤材料上。

但普通过滤材料的这种作用力不能长时间存在,电场强度也很弱,产生的吸引力很小。用这些材料做口罩,达不到医用口罩国家标准的要求。怎样才能提高医用口罩的过滤效率呢?

“对过滤材料进行驻极处理是一个有效办法。”张威介绍,经过驻极处理的材料表面就会存在由大量静电荷形成的电场,这个电场通过静电效应使中性颗粒物带电从而捕获到纤维表面。静电力可以使过滤材料在不增加过滤阻力的情况下,极大地提高过滤材料对细菌、亚微米级颗粒物的捕获效率。

研究表明,降低过滤材料中纤维直径可提高过滤效率。因此,新型多功能、高附加值纳米纤维过滤材料引起了广泛关注。

2019年,香港理工大学创新产品与科技讲座教授梁焕方领导的研究团队成功研发了一种带有静电的纳米纤维过滤材料,可以有效阻隔空气中的污染微粒,以及大部分以空气传播的致命病毒,包括流感、“非典”等。

专家介绍,纳米纤维属于一维纳米材料,通过静电纺丝所生产的纳米纤维直径在5纳米-10微米之间,并可以通过调控纺丝参数来实现对纤维直径的控制,同时可以实现多种材料复合纺丝,大大提高了纳米纤维的多样性以及拓宽了纳米纤维的运用途径。

这种纳米纤维过滤材料经测试,采用聚偏二氟乙烯(PVDF)制成,用电晕放电技术把静电加入PVDF纳米纤维,使其能够在近距离与微粒产生电荷相互作用,从而有效吸附微粒。

测试证实,对比已有的带电荷微纤维或没有带电荷的过滤材料,此项新科技突破采用多重静电隔离层设计,具有更高的过滤效率,其过滤效果比现有带静电的口罩高10%。此外,在透气度、电荷稳定性及耐用程度上,该材料都有更优质的表现,静电可维持3个月。

但一般口罩只能将流感、埃博拉、新型冠状病毒拦截而不能将其杀死,容易导致后续的交叉感染。怎么才能在保证维持高效过滤的同时,实现对细菌、病毒的有效杀灭?

“要使纺织品具有抗病毒的功能,还要对材料做一些处理。”专家介绍,主要方法有两种。一种是将具有抗病毒功能的材料做成纳米级的微细颗粒,然后与高聚物仿丝液共混,最后仿丝。另一种是纳米整理法,在织物的后整理过程中将纳米材料添加到织物整理剂中或是以涂层方式复合,从而赋予织物抗病毒的功能。

近几年,利用白云石、纳米银、绿茶提取物等制成抗病毒口罩的消息先后出现在媒体报道上。

其中,纳米材料的出镜率比较高。以纳米银为例,大连大学医学院研究人员曾对纳米银抗流感病毒和新城疫病毒的作用机制进行了研究,证实纳米银对流感病毒和新城疫病毒有明显的抑制作用。其抑制机制可能与纳米银破坏病毒粒子结构及抑制神经氨酸酶活性有关。

全国卫生产业企业管理协会抗菌产业分会联合中国科学院理化技术研究所等单位组成的科研攻关组也曾对抗病毒口罩进行过相关研究。他们研制的速效抗病毒口罩主要采用了BCNT纳米抗病毒技术。该BCNT纳米抗病毒技术是含银纳米材料技术和纳米复合技术的发展成果,能够有效抑制细菌、病毒的活性。

“在抗击新冠肺炎疫情的战疫当中,以口罩和防护服为代表的医用纺织品发挥了重要的作用。”张威表示,医用纺织品将作为战略应急物资纳入国家储备,对国计民生和国家安全具有重要的战略保障意义。

2003年的SARS病毒时使用的棉纱口罩,从外形来看,整个口罩被设计成了一个近似标准的长方形,佩戴方式是将带子系在脑后。

但空气就像水流一样,哪里阻力小就先向哪里流动。“由于人脸具有一定的曲线轮廓,平面口罩与人脸接触部位会存在一定空隙,贴合度较低,很难达到良好的防护效果。”张威说,空气中的细菌病毒就会从不密合处进去,进入人的呼吸道。

以3M公司为例,立体口罩主要有碗状结构和折叠结构两种类型。这两种型号的口罩在外形的设计上做了很大改良,针对人的面部结构而设计,口罩的贴合性与透气性更强,材质也与之前有所不同,使其功能达到最佳效果。

由于在设计上力求更贴合,一些口罩在佩戴时耳朵、口鼻连接处会很紧,给人们带来了挤压、不舒服的感觉。因此越来越多的研究人员也更加注意到口罩设计上的改良。

前不久,由澳洲悉尼大学及3位设计师共同研发的AusAir口罩,提供了多种尺寸、人体工程学设计、记忆泡沫和魔术贴合的耳挂,并且能在面部轮廓周围形成毛绒密封,佩戴更舒适的同时,也可有效防止病毒和预防疾病。

虽然口罩的制作正在不断革新。但无论是多优良的材料,还是多贴合的设计,若戴口罩不讲究方法,依然等于白戴。

“口罩戴好后,应完全覆盖口鼻和下巴。”医学专家提醒,对于KN95等医用防护口罩,戴上后可通过眼镜镜片是否起雾、口罩四周是否漏气来判断。口罩与面部贴合越好,防护效果越好。

此外,医用一次性口罩、医用外科口罩为平面型,其密闭性不如医用防护口罩、KN95级口罩等立体口罩,更要注意正确的佩戴方法。

“首先要选择合适尺寸的口罩。佩戴时,要让口罩紧贴面部,同时用左右手的手指挤压鼻两侧的铝片,减少四周空气的泄露。”医学专家说,一次性医用口罩有里外之分,浅色面有吸湿功能,应该紧贴嘴鼻,深色面朝外。防护型口罩有标识的一面朝外,有金属片的一边向上。