◇ 北京 劉 銘

新冠病毒引發(fā)的肺炎疫情正在全球暴發(fā)，疫情當(dāng)前，很多國家的醫(yī)療物資緊缺，其中就包含醫(yī)用口罩．不僅醫(yī)院需要醫(yī)用口罩，平時(shí)生活中，大家出門的標(biāo)配裝備里也必有醫(yī)用口罩．這小小的口罩里到底有何“玄機(jī)”，能起到阻擋強(qiáng)大病毒的作用呢?讓我們來揭開它的神秘面紗吧!

醫(yī)用口罩一般分為三種類型:普通醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩．我們佩戴最多的淺藍(lán)色的一次性醫(yī)用口罩可以用于一級防護(hù)，主要針對的是日常生活和生產(chǎn)中含有病原體的飛沫傳播；醫(yī)用外科口罩適用于醫(yī)務(wù)人員的基本防護(hù)，屬于二級防護(hù)，主要在潔凈度要求較高的環(huán)境內(nèi)，比如手術(shù)室、護(hù)理免疫功能低下患者及進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究時(shí)佩戴；但對于防疫一線的醫(yī)務(wù)工作者來說，一、二級防護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須進(jìn)行三級防護(hù)，需要佩戴N 95級別口罩，“N”代表notresistanttooil，即不防油，比如無法阻攔炒菜產(chǎn)生的油煙，“95”是指過濾粒徑0.075μm±0.02μm的非油性顆粒效率達(dá)到95%以上．下面我們對常見的一次性醫(yī)用口罩和N 95級別口罩的構(gòu)造、原理進(jìn)行簡單分析．

醫(yī)用一次性口罩至少包含三層，如圖1所示，其原料是聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP），是一種常見的高分子材料，日常生活中很多塑料制品都是聚丙烯做的，比如一次性塑料餐盒、礦泉水瓶等，用這種材料制成無紡布，加工而成的口罩結(jié)構(gòu)稱為SMS結(jié)構(gòu)，如圖2所示．用來防飛沫的口罩，應(yīng)保證其外層材料具有較高的疏水性，這是口罩的第一道防線．

圖1 醫(yī)用口罩的構(gòu)造

圖2 無紡布結(jié)構(gòu)示意圖

而醫(yī)用口罩的核心技術(shù)主要在M層的過濾層，由一層熔噴無紡布構(gòu)成．它與普通的紡織布的區(qū)別在于其纖維結(jié)構(gòu)，普通紡織布纖維結(jié)構(gòu)如圖3所示，其纖維分布工整，纖維之間的縫隙較大；而熔噴無紡布是一種以聚丙烯為材料，以熔噴技術(shù)加工（通過高速高溫氣流噴吹，使熔體細(xì)流受到極度拉伸而形成超細(xì)纖維），最后由許多縱橫交錯(cuò)的纖維以隨機(jī)方向?qū)訉佣询B而成，纖維直徑范圍在0.5～10μm，網(wǎng)狀纖維孔洞的尺寸大概為10μm，掃描電鏡如圖4．

圖3 普通紡織布纖維結(jié)構(gòu)

圖4 熔噴無紡布掃描電鏡

第一層無紡布的纖維直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熔噴無紡布的纖維直徑，所以第一層無紡布只能起到初步過濾一部分較大粒子的作用，而其他飛沫粒子，可以通過熔噴過濾層中的其他途徑進(jìn)行攔截．

1）碰撞攔截:一部分粒子在通過過濾材料的網(wǎng)狀通道時(shí)，由于具有慣性，要保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，撞擊纖維，受分子引力作用被吸附．

2）擴(kuò)散攔截:一部分小尺度、低速運(yùn)動的粒子在做布朗擴(kuò)散運(yùn)動時(shí)，碰到纖維被吸附．

3）氣流碰撞:一些中等尺寸顆粒跟隨氣流運(yùn)動時(shí)，恰巧與纖維表面接觸，被纖維攔截．

上述三種情況都是在粒子碰到纖維時(shí)被攔截的，但是總會有“漏網(wǎng)之魚”，如何攔截從纖維縫隙中闖入的微小顆粒呢?這就離不開過濾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——靜電吸附．

4）靜電攔截:熔噴無紡布的主要材質(zhì)是聚丙烯，是一種超細(xì)靜電纖維布，靜電具有吸引輕小物體的性質(zhì)，所以它可以捕捉粉塵、吸附粒子，這也是醫(yī)用口罩比我們平常帶的普通口罩防菌效果更好的原因．

熔噴無紡布容易產(chǎn)生靜電，但如何獲得靜電呢?工業(yè)生產(chǎn)中，可以用駐極處理，利用高壓電源，讓口罩的聚丙烯纖維極化，就是將纖維的正負(fù)電荷分開，并加以固定，如圖5所示．微小顆粒靠近熔噴布后，就會被靜電吸附在纖維表面，無法透過．

圖5 無紡布纖維駐極

為了讓聚丙烯網(wǎng)狀纖維的電荷分離并固定，外加電壓（駐極電壓）必須足夠大．如表1所示，電壓越大，電荷被束縛得越牢靠，過濾效率也就越高．靜電吸附不僅僅用在醫(yī)用口罩上，很多空氣凈化器也是利用靜電吸附達(dá)到凈化空氣的目的．

表1 駐極電壓對過濾材料的過濾性能影響

顆粒被靜電纖維捕捉后，不能用水清洗，因?yàn)槠胀ǖ纳钣盟菍?dǎo)體，一旦與口罩的纖維層接觸，纖維上的電荷會被水傳導(dǎo)一空，無法起到原有的防護(hù)作用，因此口罩只能一次性使用．

N 95級別的口罩與普通醫(yī)用口罩相比，在結(jié)構(gòu)上做了優(yōu)化，其核心過濾層的層數(shù)更多．對比N 95級別口罩和醫(yī)用外科口罩的截面圖，可以清晰地看到，外科口罩的熔噴布厚度為156μm，而N 95級口罩的熔噴布厚度為521μm，是外科口罩的3倍多，如圖6所示．

圖6

當(dāng)然，防護(hù)性能再好的N 95級口罩也有弊端．它的高防護(hù)效果會導(dǎo)致透氣性差，容易使佩戴者感到憋悶，所以不太適合小孩、老年人和呼吸障礙者佩戴．

雖說N 95級口罩防范病毒效果更好，但由于N 95級口罩所用熔噴無紡布的層數(shù)較多，過度消耗N 95口罩會加快消耗熔噴無紡布資源，引起更嚴(yán)重的口罩緊缺，因此，鐘南山院士建議，市民正確佩戴普通醫(yī)用口罩即可，把N 95級口罩資源留給更需要它的防疫一線工作人員．當(dāng)然，各國也在努力提高口罩的技術(shù)含量，加大口罩的生產(chǎn)投入，我國憑借強(qiáng)大的生產(chǎn)力，在保障本國需求的同時(shí)，還向他國捐獻(xiàn)、出口大量的醫(yī)療物資．生產(chǎn)商也通過靜電處理來增強(qiáng)熔噴纖維的過濾能力，使口罩的防護(hù)性能大大提高．提高口罩防護(hù)性能的核心技術(shù)主要在于熔噴布的研發(fā)，如何提高熔噴布電荷的駐留時(shí)間、避免電荷量過快衰減，一直是技術(shù)難題．目前可以通過改進(jìn)駐極工藝、在原料中添加增能助劑的方法加以改善．相信在不遠(yuǎn)的將來，會有更多的技術(shù)突破隨之涌現(xiàn)．