呂愛民

（北京健翔嘉業(yè)日用品有限責(zé)任公司，北京102200）

0 引言

塵肺病，是我國目前危害最嚴(yán)重且量大面廣的職業(yè)病，是不可逆轉(zhuǎn)、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(xì)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(zhì)，粉塵是分散相，職業(yè)安全健康領(lǐng)域和民用日常健康領(lǐng)域?qū)︻w粒物的關(guān)注尺寸是微米級(jí)μm，（醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域?qū)︻w粒物的關(guān)注尺寸即有微米級(jí)μm 也有納米級(jí)nm）。粉塵特性和幾何特征是防塵技術(shù)體系中最基本的內(nèi)容，凡涉及過濾材料及防塵口罩的制造和應(yīng)用,均離不開對(duì)粉塵特性和幾何特征的描述，離開了對(duì)粉塵特性和幾何特征的描述，有關(guān)過濾材料及防塵口罩的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)評(píng)價(jià)體系將無法建立。

呼吸性粉塵，是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑均在7.07μm 以下，空氣動(dòng)力學(xué)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(dá)人體鼻咽部，2μm以下的塵?？梢缘竭_(dá)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(jìn)入肺部的“障礙性粉塵，人們不但可以避免罹患?jí)m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(dá)呼吸系統(tǒng)的位置

呼吸性粉塵對(duì)人體危害極大，對(duì)呼吸性粉塵的防御是世界課題，對(duì)呼吸性粉塵的技術(shù)防控是重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(shù)水平要求高。2019 年8 月27 日，國家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的國家強(qiáng)制性職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) GBZ2.1-2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值笫1 部分：化學(xué)有害因素》，將“呼吸性粉塵”列為優(yōu)先防御目標(biāo)。

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(zé)任公司，經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了改性障礙性粉塵的高聚能復(fù)合阻塵材料及制備方法與應(yīng)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(shí)發(fā)生黏附凝聚，將＜7μm 的多分散粉塵改性團(tuán)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(dá)人體肺泡區(qū)，定義為“障礙性粉塵”，簡稱“障塵”。技術(shù)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(shù)。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(dāng)含塵氣流與濾料接觸時(shí)，氣流穿過濾料，固體顆粒被攔截在濾料上。傳統(tǒng)過濾機(jī)理主要有：沖擊作用、擴(kuò)散作用、攔截作用、布朗作用、靜電作用。無論哪種過濾機(jī)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(jī)會(huì)越多，越容易被捕集，這與纖維比表面積有關(guān)，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(jī)理起的作用也不同，一般情況只有一個(gè)或兩個(gè)過濾機(jī)理起主導(dǎo)作用，例如：在40%相對(duì)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(diǎn)是：膜薄、過濾效率95%～100%。缺點(diǎn)是：阻力高，接塵加載時(shí)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(jī)粉塵磨破擊穿，聚四氟乙烯膜是表面過濾，過濾時(shí)粉塵不能進(jìn)入膜料內(nèi)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(dá)到454 Pa，這個(gè)數(shù)值超過了AQ 1114-2014 煤礦用自吸過濾式防塵口罩標(biāo)準(zhǔn)5.9 容塵性能a)加塵2 h 后，在(30±2.5 ) L/min 流量時(shí)吸氣阻力不大于100 Pa，在(85±4) L/min 流量時(shí)吸氣阻力不大于300 Pa 的指標(biāo)。（煤塵，強(qiáng)制性國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ2.1-2019 工作場所有害因素職業(yè)接觸限值笫1 部分：化學(xué)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(hào)23）。GB 2626-2019 呼吸防護(hù)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?yàn)楸阊劝Y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(nèi)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(huì)不會(huì)癌變？查出消化道息肉又要怎么對(duì)待呢？

其優(yōu)點(diǎn)是：過濾效率90%～99%，纖維力學(xué)性能較好。缺點(diǎn)是：接收油性粉塵時(shí)容易被“糊死”。一些口罩生產(chǎn)企業(yè)宣傳其口罩所謂的“高效低阻”，僅僅是對(duì)潔凈熔噴過濾布初始效率和阻力的評(píng)價(jià)，實(shí)際接塵中潔凈熔噴過濾布只在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，當(dāng)粉塵顆粒沉積覆蓋在熔噴布上形成顆粒層時(shí)，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(shí)，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(yùn)動(dòng)塵粒所受到的介質(zhì)阻力始終存在，不穩(wěn)定過濾貫穿整個(gè)過程，實(shí)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(gè)不可控的是，熔噴過濾布接受40 ℃煙塵時(shí)部分水蒸氣冷凝結(jié)露形成露點(diǎn)，露點(diǎn)中含有的三氧化硫酸性物質(zhì)，可形成酸露點(diǎn)，酸露點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是：捕塵率低，只有51%～54%，究其原因：物質(zhì)在粉碎過程中和流動(dòng)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(guān)，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(fù)電荷，其中，帶正電荷的約占40%～51%；帶負(fù)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(zhì)接觸，在前面的物質(zhì)帶正電荷，在后面的物質(zhì)帶負(fù)電荷（±）。駐極靜電棉或帶正電荷或帶負(fù)電荷，帶正電荷的靜電棉只能捕捉帶負(fù)電荷的粉塵顆粒，捕塵率為37%～54%；帶負(fù)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(duì)其他9%不帶電荷的粉塵顆粒沒有引力捕捉作用。當(dāng)空氣濕度在70%RH 以上時(shí)，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(jī)氣體可以中和駐極靜電棉電荷，導(dǎo)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(shù)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(dāng)液滴表面靜電斥力大于表面張力時(shí)，液滴表面就會(huì)噴射出高速飛行的射流，并在較短時(shí)間內(nèi)經(jīng)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(fù)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(diǎn)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(diǎn)是：當(dāng)空氣濕度在70%RH 以上時(shí)，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(xué)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(jìn)一步提升，如何增強(qiáng)靜電紡絲纖維材料的力學(xué)性能一直是靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

1.2.4 靜電纖維捕塵條件與作用

從電子理論看，只有當(dāng)電荷密度達(dá)到1 021 個(gè)電子/cm3時(shí)，靜電引力才有顯著作用，實(shí)驗(yàn)中5 個(gè)靜電纖維采樣標(biāo)本一個(gè)測得的電荷密度為1 022 個(gè)電子/cm3，一個(gè)測得的電荷密度為1 014 個(gè)電子/cm3，其余3 個(gè)靜電纖維采樣標(biāo)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(jí)，電量很小[2]。

靜電力通常比液橋力和范德華力小，除非對(duì)荷電很強(qiáng)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(duì)捕塵的強(qiáng)度也是有限的[3]。靜電纖維接塵濃度超過40 mg/m3時(shí)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(dāng)粉塵不帶電荷時(shí)，靜電纖維引力捕塵就失去了評(píng)價(jià)的意義。靜電纖維捕塵雖有一定的道理，但未檢索到有價(jià)值的報(bào)告。從檢測方法看，氯化鈉是非離子不帶電，用氯化鈉介質(zhì)測試靜電纖維過濾效率反映的是誘導(dǎo)力不是靜電力，誘導(dǎo)力的強(qiáng)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(hù)裝備技術(shù)領(lǐng)域最新一代人工智能防塵新材料，它是將SMG 高分子物質(zhì)溶入粘膠纖維經(jīng)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(jié)構(gòu)（圖7），這種螺紋結(jié)構(gòu)特征有助于空氣流通，可滿足循環(huán)氧量和所需的調(diào)濕效應(yīng)。呼塵改障塵高聚能新材料響應(yīng)人體呼吸號(hào)召生成的活性因子具有優(yōu)異的鋪展性，穩(wěn)定的共價(jià)健，材料柔軟光滑，具有絲綢般的品質(zhì)。

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(zhì)活躍的、黏性差的、疏水性的、最具代表性的、粒徑為1.3μm 的標(biāo)準(zhǔn)呼吸性矽塵，作為呼塵改障塵高聚能新材料效能測試介質(zhì)。矽塵是我國最嚴(yán)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(shí)：新鮮矽塵（粒徑＜5μm）在JB6P+ 細(xì)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：新鮮矽塵比陳舊矽塵更易引起肺炎，致病性更強(qiáng)。Saffiotti 報(bào)道，對(duì)雄性Fischer 大鼠而言，接觸新鮮矽塵比陳舊矽塵更易導(dǎo)致肺部滲出液的形成，肺部損傷的生化改變[4]。矽塵是強(qiáng)制性國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ2.1-2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素4.2 工作場所空氣中粉塵職業(yè)接觸限值》序號(hào)40 標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

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(shí)產(chǎn)權(quán)局評(píng)價(jià)報(bào)告認(rèn)為，呼塵改障塵高聚能新材料，是將普通過濾材料對(duì)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(tuán)聚增大功能”，運(yùn)用“四位一體引力團(tuán)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(jìn)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(dá)人體肺泡區(qū)，接塵人員可以避免罹患?jí)m肺病或呼吸系統(tǒng)疾?。▓D8）。

圖8 “四位一體引力團(tuán)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(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程，含塵氣流體系中不僅有氣體單相流動(dòng)，也有氣體-固體兩相流動(dòng)，還有氣體-固體-液體三相流動(dòng)。

2.4 呼塵改障塵高聚能新材料是具有人工智能的新技術(shù)，它對(duì)環(huán)境因素有感應(yīng)能力；對(duì)粉塵特性有變量能力（圖9）；對(duì)人的呼吸有調(diào)節(jié)能力，如同人的智慧一樣，不僅能發(fā)現(xiàn)識(shí)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(shù)方案改變了傳統(tǒng)過濾技術(shù)一味追求高效率必然造成高阻力的結(jié)果，克服了傳統(tǒng)過濾材料對(duì)有機(jī)塵、無機(jī)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(shí)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(chǎn)生濕敏效應(yīng)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(fù)電荷，帶正電荷的泡沫可對(duì)帶負(fù)電荷的細(xì)菌病毒結(jié)構(gòu)實(shí)施破壞使其干枯分離死亡。SMG 極性泡沫群對(duì)＜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(tuán)聚變大沉降滯留的作用，效果十分理想。生命科學(xué)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(chǎn)生濕敏效應(yīng)起泡不停息；泡沫群對(duì)粉塵顆粒潤濕團(tuán)聚捕捉不停息；直到呼塵改障塵高聚能新材料容塵量達(dá)到容塵限值。2.6 呼塵改障塵防護(hù)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(hù)口罩材料組合模型

預(yù)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(jìn)入肺部。呼塵改障塵高聚能新技術(shù)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(hù)用品生產(chǎn)企業(yè)一直渴望解決但始終未能獲得成功的技術(shù)難題。