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明白了口罩的核心材料有多难造,你就知道怎么判断口罩真假了
发布时间:2020-04-29     作者:七君   来源:把科学带回家 环球科学   分享到:

经过这几个月的学习,许多人都知道外科口罩和N95口罩的核心就是中间的那个夹层——熔喷棉。

如果你还不知道,那么我们先来简单回顾一下。

外科口罩都分为3层,外面的两层是纺粘无纺布,中间的是熔喷棉。不管是纺粘无纺布,还是熔喷棉,都不是棉花做的,而是塑料聚丙烯(PP)做的。

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中石化用于生产熔喷棉的聚丙烯

北卡罗来纳州立大学无纺材料研究所的副所长、材料学教授 Behnam Pourdeyhimi 介绍,外科口罩的前后两层无纺布是没有过滤微生物的功效的,它们只能阻隔液滴,只有中间的那一层熔喷棉才具有过滤病菌的作用。

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合格的N95口罩和外科口罩的夹层是熔喷棉

新冠疫情暴发后,熔喷棉的价格也是飞涨,从之前的一吨6千美金,涨到了一吨6万美金。

可是问题来了,纺粘无纺布和熔喷棉的原材料都是聚丙烯,为什么只有熔喷棉才有过滤病菌的功能,而且它供不应求呢?

简单来说,这是因为医用熔喷棉的纤维贼细,而且制造医用熔喷棉的机器贼贵、交货时间也很长。

先说熔喷棉的过滤功能。

其实,纤维的过滤效率(FE)是纤维的平均直径和填充密度决定的,纤维直径越小,过滤效率越高。

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电子显微镜下的熔喷棉纤维 图片来源:(DOI) 10.1039/C7RA10916D

熔喷棉成品纤维的直径大概在0.5~10微米之间,而纺粘层纤维直径在20微米左右。因为纤维超细,所以熔喷棉有很大的表面积,可以吸附各种微颗粒。更厉害的是,熔喷棉还比较透气,因此是制作口罩滤芯的好材料,而纺粘无纺布不行。

来看看这两种无纺布的制造过程。

制作纺粘无纺布时,聚丙烯熔化以后被拉成丝,然后结成网——

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和纺粘无纺布相比,熔喷棉的技术高端多了,实际上熔喷技术是目前唯一用于大规模生产微米级纤维的技术。

熔喷棉的制造过程类似于做棉花糖。

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机器可以产生高速热气流,热气流将熔化的聚丙烯从开口极小的熔喷喷头喷出,效果和喷雾一样——

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迷雾一般的超细纤维会在滚筒或者平板上聚集起来,成为熔喷无纺布——

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实际上,熔喷技术灵感来自自然界。你大概不知道,大自然也会制造熔喷材料哦。

在火山口附近常有一些长相奇怪的假发,它们是火山毛(Pele’s hair),这是玄武岩岩浆被火山口的热风吹成的。

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夏威夷火山附近的火山毛

有时在火山附近的树梢、电线杆上,也可以找到火山毛。

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20世纪50年代,美国海军研究实验室(NRL)首次采用熔喷技术制造过滤放射性物质的纤维。现在,熔喷技术除了可以制造过滤水和气体的滤材,还被用于制造工业上的隔热材料矿棉(Mineral wool)。

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矿棉 图片来源:wikipedia

但是,熔喷棉本身的过滤效率只有25%左右,N95口罩的95%的过滤效率是怎么来的呢?

这就要聊一聊医用熔喷棉制造过程中很关键的一步了——静电驻极处理。

是这样的,我们刚才说过口罩的过滤效率和直径和填充密度有关。但是,如果织得太密,口罩就不透气,戴的人就很难受。

如果不做静电驻极处理,能让人感觉不会憋死的熔喷布的过滤效率就只有25%。

怎样才能在保证过滤效率的同时提高透气性呢?

1995年, 田纳西大学的工程学家蔡秉燚(Peter P. Tsai)用想到了工业过滤中使用的静电除尘技术(electrostatic precipitation)。

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在工业上(比如工厂的烟囱),为了过滤极小的颗粒,工程师会用电场给微粒带电,然后用电网把它们吸住。

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用静电除尘技术过滤空气

受到这种技术的启发,许多人都曾尝试给塑料纤维带电,但是没有成功。但是蔡秉燚却做到了,他发明了一种给塑料带电的方法,将空气离子化,为熔喷布带静电,使其变成驻极体,也就是永久带电的材料。

这时,1层皮卡丘熔喷布不仅抵10层没过电的,还能够吸引直径为100纳米左右的颗粒,比如新冠病毒。

可以说,有了蔡秉燚的技术,才有了N95口罩。世界上数十亿人的生命都被这种技术保护着。

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高压电线圈的电晕放电 图片来源:wikipedia

看完医用级熔喷棉的制造过程,你就明白它的技术难度了。实际上,熔喷棉制造过程中最难的部分可能就是制造制造熔喷棉的机械了。

今年3月,熔喷机械供货商德国 Reicol 公司的销售总监 Markus Müller 在接受美国全国公共广播电台(NPR)采访时表示,为了保证纤维够细且质量稳定,熔喷机器需要很高的精度,不好制造,一台机器的生产和组装时间至少要5-6个月,每台机器的价格可达4百万美金,而市面上的许多机器的质量参差不齐。

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埃克森美孚生产的熔喷喷头 图片来源:Advances in Technical Nonwovens

佛罗里达的 Hills, Inc 是世界上少数几个能制造熔喷棉设备喷头的厂家,该公司的研发经理 Timothy Robson 也表示熔喷棉设备的技术含量很高。

虽然我国口罩年产量约占全球的50%,是第一大口罩生产国和出口国,但根据中国产业用纺织品行业协会2月份的数据,全国熔喷无纺布产量不到10万吨/年,熔喷无纺布的缺口很大。

考虑到熔喷布制造机械的价格和机器交货时间,小型企业是不太可能在短时期生产大量合格的熔喷棉的。

所以一个新的问题来了:怎么判断买到的口罩是合格的,而且是用熔喷棉做的呢?

其实方法很简单,分三步走。

首先,因为夹心饼干的外层纺粘无纺布具有防水性,合格的医用口罩应该是防水的,都不防水的话还怎么过滤口腔喷射的液滴?你可以像这位大哥一样倒一点水上去试试——

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其次,聚丙烯不容易着火,遇热倒是容易熔化,建筑材料燃烧性能等级为 B1,所以熔喷棉是不会燃烧的。如果用打火机烤,熔喷棉会卷起来烊掉,但是不会着火。

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换句话说,如果你买到的口罩的中间层用打火机烤了会着火,那就是妥妥的假货。

第三,医用熔喷棉带有静电,所以可以吸起小纸片。

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当然,如果你需要多次使用同一个口罩,N95的发明人蔡秉燚本人也有消毒的建议。

今年3月25号,蔡秉燚在田纳西大学的网页上表示,医用口罩和N95口罩的静电驻极效果很稳定,即使用70摄氏度的热风为口罩消毒30分钟,也不影响口罩的驻极体性质。不过,酒精会把熔喷布的电荷带走,所以不要用酒精对口罩进行消毒。

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蔡秉燚对医用口罩的再使用消毒建议 图片来源:utrf.tennessee.edu/information-faqs-performance-protection-sterilization-of-masks-against-covid-19 

对了,由于熔喷棉有超强的吸收阻隔过滤防渗漏技能,不少女性用品和尿不湿也是用它做的,金佰利公司最早申请了相关专利。

金佰利公司 的专利产品 MICROFORCE 和医用口罩类似,也是夹心的结构,外面两层是纺粘无纺布,中间是熔喷布,熔喷布可以吸水。

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