王丹，孫寶昌，王潔欣，周蕓蕓，方彥，陳倬為，岳衛(wèi)華，劉思敏，劉克洋，曾曉飛，初廣文，陳建峰,*

a State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

b Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China

c Beijing Institute of Medical Device Testing, Beijing 101111, China

1. 研究背景

新冠病毒肺炎疫情期間，口罩成為不可或缺的防控利器和戰(zhàn)略物資，是保障人民群眾健康的盾牌。2020年1月20日，中國(guó)工程院院士、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)高級(jí)別專家組組長(zhǎng)鐘南山在中央電視臺(tái)《新聞1+1》節(jié)目中明確指出戴口罩對(duì)于新冠病毒防護(hù)是有用的[1]。1月22日，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)在國(guó)務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布會(huì)提倡“口罩文明”，建議一定要戴口罩，并指出“戴口罩既是對(duì)自己的防護(hù)，也是對(duì)其他人的保護(hù)”[2]。然而，根據(jù)國(guó)家工業(yè)和信息化部公開報(bào)道的數(shù)據(jù)，我國(guó)口罩的產(chǎn)能在1月23日僅為每天800萬只，到2月2日產(chǎn)能達(dá)到每天1000萬只。這與全國(guó)14億人口相比，口罩的供需存在數(shù)量級(jí)差距。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)2月4日發(fā)布的《不同人群預(yù)防新型冠狀病毒感染口罩選擇和使用技術(shù)指引》，在新冠病毒肺炎疫情期間，推薦超市、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、地鐵、室內(nèi)辦公等民用場(chǎng)所的普通群眾佩戴一次性醫(yī)用口罩或醫(yī)用外科口罩[3]。因此，醫(yī)用口罩呈現(xiàn)出“民用化”的趨勢(shì)，大量出現(xiàn)在車站、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、公園等公共場(chǎng)所。與此同時(shí)，該技術(shù)指引中明確提出“新型冠狀病毒感染的肺炎流行期間，在保障公眾健康的前提下，可適當(dāng)延長(zhǎng)口罩使用（使用時(shí)間、使用次數(shù)）”“其他風(fēng)險(xiǎn)類別（低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)）暴露人員佩戴的口罩可反復(fù)多次使用”。然而，我國(guó)有關(guān)口罩產(chǎn)品的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要是針對(duì)口罩一次性使用的性能制備做了規(guī)范和要求，對(duì)于如何考核其可重復(fù)使用性能并沒有具體規(guī)定。一次性醫(yī)用口罩和醫(yī)用外科口罩作為普通人民群眾使用最多的口罩類型，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于口罩佩戴時(shí)間、使用次數(shù)、重復(fù)使用后性能等與“反復(fù)多次使用”直接相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，并無明確規(guī)定和要求。事實(shí)上，在新冠病毒肺炎疫情期間如何對(duì)口罩進(jìn)行消毒凈化后重復(fù)使用？消毒凈化對(duì)口罩性能有何影響？重復(fù)使用次數(shù)是多少？重復(fù)使用的注意事項(xiàng)是什么？這些問題在此之前，均無科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。在口罩物資匱乏時(shí)，廣大人民群眾甚至一線醫(yī)護(hù)人員，自發(fā)地重復(fù)使用口罩，在一定程度上緩解了口罩荒，但也容易帶來自身防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在保證安全的情況下，讓每一只口罩發(fā)揮最大效能，數(shù)倍甚至十倍以上地提高防護(hù)口罩有效使用時(shí)間，是疫情防控所急需解決的關(guān)鍵科技問題。

一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩及防塵口罩通常是利用帶有靜電的熔噴無紡布作為過濾層材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)超細(xì)顆粒的阻隔。通過靜電吸附把空氣中的微小顆粒吸引到纖維表面，其過程就像鐵屑被吸引到磁鐵上一樣。在微尺度上，由于過濾層纖維之間的間距遠(yuǎn)大于細(xì)菌病毒和氣溶膠/液滴的尺寸，難以直接通過機(jī)械過濾的方式來高效阻擋納米尺度的顆粒。因此，口罩中間的靜電層對(duì)于攜帶病毒、細(xì)菌等微?；蝻w沫防護(hù)起到重要作用?？谡质褂眠^程中，因細(xì)菌病毒在靜電層的沉積以及哈氣（水汽）等導(dǎo)致荷電層靜電的消除，都會(huì)損傷其過濾效果，甚至失效。因此，新冠病毒肺炎疫情期間若想重復(fù)使用口罩，需要重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)問題：一是如何在不破壞口罩材料及微觀結(jié)構(gòu)的情況下，殺死或者去除沉積到口罩上的新冠病毒；二是重新恢復(fù)口罩過濾層電荷或?qū)⑼饨珉姾赊D(zhuǎn)移過濾層（即荷電再生），以保證重復(fù)使用的口罩仍具有一定的顆粒物阻隔效果。2020年2月14日，科學(xué)網(wǎng)報(bào)道了我們北京化工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)關(guān)于新冠病毒肺炎疫情應(yīng)急時(shí)期口罩重復(fù)使用的初步研究成果[4]：通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用便攜式靜電發(fā)生器對(duì)普通一次性醫(yī)用平面無紡布口罩進(jìn)行二次荷電處理，使其再生靜電效應(yīng)而達(dá)到可重復(fù)使用的現(xiàn)象，提出了“口罩熱水泡滅毒+荷電再生”的技術(shù)方法。首先將使用后的口罩置于56 °C以上熱水泡30 min消毒處理，隨后采用電吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇、電子點(diǎn)火器等對(duì)“失效”的口罩進(jìn)行吹干荷電處理，通過“紙屑吸附”檢驗(yàn)口罩重新荷電情況[4]。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)于2020年2月6日發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第四版）》，56 °C條件下30 min可有效殺滅新冠病毒[5]。荷電再生處理有助于恢復(fù)口罩過濾層靜電，從而使其具有高的顆粒物過濾性能。

本文報(bào)道了對(duì)三類典型口罩（一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、KN95級(jí)防護(hù)口罩）“熱水泡滅毒+荷電再生”的實(shí)驗(yàn)研究和性能評(píng)價(jià)結(jié)果。通過靜電測(cè)試，揭示了口罩過濾層材料“荷電再生”前后靜電量變化規(guī)律。采用掃描電子顯微鏡（SEM）研究口罩再生前后的微觀結(jié)構(gòu)，采用靜水壓法測(cè)試了口罩再生前后的抗?jié)B水性。對(duì)三類典型口罩進(jìn)行“熱水泡滅毒+荷電再生”處理后，參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，研究了再生口罩對(duì)100 nm氯化鈉顆粒物以及細(xì)菌氣溶膠的過濾效率。針對(duì)材料質(zhì)量良好的KN95級(jí)防護(hù)口罩，開展口罩耐高溫性試驗(yàn)，首先將口罩置于高壓蒸汽滅菌裝置中，經(jīng)121 °C蒸汽處理30 min，然后干燥荷電再生，對(duì)口罩的微觀結(jié)構(gòu)、滲水性和過濾效率等性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。針對(duì)實(shí)際佩戴后口罩的重復(fù)使用性能評(píng)價(jià)，提出了熒光納米顆粒滲透檢測(cè)方法，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為新冠病毒肺炎疫情期間口罩重復(fù)使用提供了參考。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

2.1. 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)口罩包括市售一次性醫(yī)用口罩（恒天嘉華非織造有限公司）、醫(yī)用外科口罩（億信醫(yī)療器械股份有限公司、安邦衛(wèi)材有限公司、豫北衛(wèi)材有限公司）、KN95級(jí)防護(hù)口罩（3M公司、韓國(guó)進(jìn)口KF94級(jí)口罩）。相應(yīng)品牌的口罩記為JH、YX、AB、YB、3M和KF。

2.2. 熱水泡及荷電再生處理

實(shí)驗(yàn)選用了家用鋁盆、塑料飯盒及不銹鋼保溫杯三種容器，具體實(shí)驗(yàn)操作：在室溫為20 °C環(huán)境中，將燒開的沸水直接倒入裝有口罩的容器中，加入的水量至容器總?cè)萘康?/5，利用水銀溫度計(jì)測(cè)量水溫。隨后蓋上容器蓋，使口罩在熱水中浸泡30 min后，打開容器蓋并再次測(cè)量水溫。將口罩從熱水中取出，甩掉表面液滴，平放在干燥的絕緣材質(zhì)表面，用電吹風(fēng)機(jī)吹烘10 min將口罩吹干并荷電。

2.3. 過濾層材料靜電量測(cè)試

采用SIMCO手持式靜電測(cè)試儀，測(cè)試口罩靜電量。將待測(cè)物懸空掛在絕緣定位組件上，遠(yuǎn)離其他帶靜電物體，以免受其他靜電場(chǎng)干擾。測(cè)量平面口罩時(shí)需將口罩鋪展開并懸掛固定。測(cè)試人員在測(cè)量前先用清水洗手，以去除手部靜電，隨后手持靜電測(cè)試儀，探頭由遠(yuǎn)及近接近口罩待測(cè)量部位，至兩激光圓點(diǎn)重合，數(shù)值穩(wěn)定后讀取并記錄靜電量示數(shù)。

2.4. 抗?jié)B水性測(cè)試

采用布氏漏斗抽濾裝置，將口罩試樣外表面朝上，內(nèi)表面緊靠在布氏漏斗底端，開啟真空抽濾系統(tǒng)，氣流量為30 L·min–1。從距離待測(cè)樣20 cm的高度將100 mL水在20 s內(nèi)淋灑于口罩表面，繼續(xù)保持抽濾3 min，觀察抽濾瓶?jī)?nèi)是否有液體滴下。隨后移走口罩上方的水，關(guān)掉真空抽濾系統(tǒng)，從抽濾孔架取下口罩，觀察口罩內(nèi)表面液體滲透情況。

2.5. 過濾效率測(cè)試

采用TSI 8130 設(shè)備，測(cè)量口罩樣品對(duì)NaCl顆粒物的過濾效率。檢測(cè)溫度條件為（25±5） °C，相對(duì)濕度為（30±10）%，NaCl顆粒物濃度為不超過200 mg·m–3，計(jì)數(shù)中位徑為（0.075±0.020）μm，粒度分布幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1.86。檢測(cè)系統(tǒng)中具有中和顆粒物的電荷的裝置。對(duì)于KN95級(jí)防護(hù)口罩，檢測(cè)流量設(shè)置為（85±4）L·min–1；對(duì)于一次性醫(yī)用口罩和醫(yī)用外科口罩，檢測(cè)流量設(shè)置為（30±2）L·min–1，氣流通過的截面積為100 cm2。

3. 結(jié)果與討論

3.1. 熱水泡滅毒

在國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第四版）》中，明確指出56 °C條件下30 min可有效殺滅新冠病毒[5]。新型冠狀病毒作為一種包膜病毒，它的包膜具有識(shí)別宿主細(xì)胞的功能，在病毒感染過程中起重要作用。在高溫下，病毒的包膜蛋白會(huì)發(fā)生變性，使病毒失去感染能力。因此高溫處理是殺滅病毒的有效途徑[5]。圖1展示了本實(shí)驗(yàn)用于盛裝熱水并浸泡口罩的三種容器：鋁盆、塑料飯盒及不銹鋼保溫杯。在室溫為20 °C環(huán)境中，將剛燒開的沸水直接倒入裝有口罩的三種不同容器中，實(shí)測(cè)水溫約90 °C，并隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)，水溫有所下降。30 min以后，測(cè)試結(jié)果表明鋁盆和塑料飯盒中的水溫降至約60 °C，不銹鋼保溫杯中的水溫維持在85 °C以上[圖1（b）]。因此，熱水泡口罩的方法易于實(shí)現(xiàn)。與75%酒精噴灑、紫外線輻照、過氧化氫蒸氣等消毒方法相比，“熱水泡滅毒”更適宜居家操作。此外，熱水泡處理有助于消除口罩異味，使口罩重復(fù)佩戴時(shí)有更加舒適的體驗(yàn)。圖1（c）展示了佩戴4 h后的口罩，在熱水泡前后的照片。盡管從肉眼觀察，口罩表面并無明顯變化，但在紫外燈照射下，口罩內(nèi)側(cè)的部分位置可呈現(xiàn)出明亮的“污漬”熒光顯影，這主要是來源于積攢在口罩表層或中間層的細(xì)菌（臉部或口腔呼出）自發(fā)熒光。經(jīng)熱水泡處理后的口罩，在紫外燈照射下觀察不到明顯的“污漬”，證明了熱水泡處理有助于口罩清潔和消除異味。

3.2. 荷電再生前后口罩靜電量變化規(guī)律

口罩通常包括三層結(jié)構(gòu)[圖2（a）]：外層有阻水作用，可以防止飛沫進(jìn)入口罩里面，近口鼻的內(nèi)層用于吸濕，中間的過濾層是經(jīng)過特殊駐極處理的熔噴無紡布，能夠有效阻隔顆粒物。根據(jù)口罩類型的不同，中間過濾層的厚度為100～1000 μm [圖2（b）]，纖維絲直徑為1～10 μm [圖2（c）]?？谡謱?duì)顆粒物的過濾機(jī)理包括布朗擴(kuò)散、攔截、慣性撞擊、重力沉降和靜電吸附，其中靜電吸附是口罩同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的高過濾特性和低氣體阻力的關(guān)鍵?？谡纸?jīng)熱水泡處理，會(huì)引起過濾層靜電消失。因此，重復(fù)使用口罩需考慮口罩過濾層荷電再生的問題。本文研究了口罩荷電再生前后中間過濾層靜電量變化。實(shí)驗(yàn)采用的口罩為醫(yī)用外科口罩，過濾層材料為熔噴無紡布。可以看到，熱水泡處理后的口罩過濾層靜電消失，干燥環(huán)境下經(jīng)10 h晾干，靜電量可恢復(fù)至新口罩的60% [圖2（d）]，這是由于晾干過程中空氣流動(dòng)引起口罩纖維內(nèi)部微摩擦以及空氣與纖維的摩擦，使過濾層材料積累靜電。采用更加高效的方法，即使用電吹風(fēng)吹烘10 min吹干荷電，可使口罩靜電量恢復(fù)至新口罩的90% [圖2（e）]。針對(duì)口罩實(shí)際佩戴過程的靜電測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，采用電吹風(fēng)荷電再生的口罩，其中間過濾層靜電量衰減規(guī)律與新口罩實(shí)際佩戴的衰減規(guī)律一致。因此表明，電吹風(fēng)吹烘處理對(duì)口罩荷電可行、有效。與晾干相比，電吹風(fēng)能夠迅速移除熱水泡處理后口罩的水分，更快速恢復(fù)纖維的靜電吸附能力，其適用于潮濕地區(qū)和潮濕天氣環(huán)境下口罩的快速荷電再生。此外，在有大量水分的潮濕微環(huán)境中，細(xì)菌微生物的繁殖迅速，通過電吹風(fēng)對(duì)熱水泡滅毒后口罩進(jìn)行快速吹干荷電，可避免長(zhǎng)時(shí)間晾干過程中細(xì)菌微生物的繁殖，可降低口罩重復(fù)使用的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1. （a）用于盛裝熱水并浸泡口罩的三種容器：鋁盆、塑料飯盒及不銹鋼保溫杯；（b）將開水倒入不同容器后的水溫及在室內(nèi)密封放置30 min后的水溫；（c）佩戴后的口罩經(jīng)熱水泡處理前后在日光燈和紫外燈下的照片。

圖2. （a）典型醫(yī)用外科口罩的三層結(jié)構(gòu)；（b）典型醫(yī)用外科口罩三層結(jié)構(gòu)截面的掃描電鏡照片；（c）典型醫(yī)用外科口罩中間過濾層的掃描電鏡照片；（d）熱水泡滅毒處理后在干燥環(huán)境下經(jīng)10 h晾干后口罩及新口罩中間過濾層靜電量隨佩戴時(shí)間的變化；（e）熱水泡滅毒處理后在經(jīng)電吹風(fēng)吹烘10 min吹干荷電后，口罩及新口罩中間過濾層靜電量隨佩戴時(shí)間的變化。

3.3.抗?jié)B水性、微觀結(jié)構(gòu)及微生物指標(biāo)

醫(yī)用口罩外層具有抗?jié)B水性能，可有效防止飛沫等進(jìn)入口罩里面以及細(xì)菌滋生，因此，口罩的抗?jié)B水性是保持醫(yī)用口罩對(duì)微生物的阻隔防護(hù)效果的關(guān)鍵因素。本研究中通過靜水壓試驗(yàn)[圖3（a）]，證明新口罩和再生一次的口罩均具有良好的抗?jié)B水性，即口罩內(nèi)層沒有觀察到潤(rùn)濕現(xiàn)象[圖3（b）]。即使是“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”重復(fù)處理10次的醫(yī)用外科口罩，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中仍能夠保持良好的抗?jié)B水特性，表明“熱水泡+荷電再生”循環(huán)10次過程中，并未破壞口罩用聚丙烯材料的表面疏水性，也未對(duì)口罩纖維排布產(chǎn)生明顯的破壞。進(jìn)一步通過掃描電子顯微鏡觀察再生口罩的外層[圖3（c）]和過濾層[圖3（d）]，可以發(fā)現(xiàn)再生口罩的微觀結(jié)構(gòu)無明顯損傷。

3.4. 口罩過濾效率

口罩作為阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環(huán)境間傳播的具有一定保護(hù)功能的用品，其對(duì)顆粒物的過濾效率是檢測(cè)其應(yīng)用性能的重要指標(biāo)之一。已有的口罩產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)口罩的適用范圍需求，對(duì)細(xì)菌過濾效率、非油性顆粒物過濾效率等指標(biāo)有明確的規(guī)定。本研究中通過“熱水泡滅毒+電吹風(fēng)荷電再生”對(duì)口罩進(jìn)行處理，即將口罩置于65 °C的熱水中浸泡30 min，隨后用電吹風(fēng)機(jī)吹烘10 min吹干并荷電，針對(duì)三種典型口罩（一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、KN95級(jí)防護(hù)口罩），按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試顆粒物過濾效率和細(xì)菌過濾效率。細(xì)菌過濾效率（bacterial filtration efficiency, BFE）是指在規(guī)定條件下，口罩罩體濾除含菌顆粒物的能力。在《一次性醫(yī)用口罩》（YY/T 0969—2013）和《醫(yī)用外科口罩》（YY 0469—2011）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)細(xì)菌過濾效率的要求是不低于95%。本研究表明，市售一次性醫(yī)用口罩（JH）和醫(yī)用外科口罩（YB）經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”處理一次后，再生口罩的細(xì)菌過濾效率均大于95%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中過濾效率指標(biāo)要求。顆粒物過濾效率（particle filtration efficiency, PFE）是指在規(guī)定條件下，口罩濾除顆粒物的能力。在《一次性醫(yī)用口罩》（YY/T 0969—2013）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)顆粒物過濾效率做明確要求，但在《醫(yī)用外科口罩》（YY 0469—2011）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求非油性顆粒物過濾效率不低于30%。本研究表明，市售醫(yī)用外科口罩（YB）經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”處理一次后，再生口罩對(duì)非油性氯化鈉顆粒物過濾效率不低于92%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中過濾效率指標(biāo)要求。對(duì)于KN95級(jí)防護(hù)口罩，根據(jù)《呼吸防護(hù) 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》）（GB 2626—2019）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)定檢測(cè)流量設(shè)置為（85±4）L·min–1條件下，口罩對(duì)非油性顆粒物過濾效率應(yīng)不低于95%。本研究表明，市售KN95級(jí)防護(hù)口罩（包括3M公司產(chǎn)品和韓國(guó)進(jìn)口KF94級(jí)口罩）經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”處理一次后，再生口罩對(duì)非油性氯化鈉顆粒物過濾效率均大于95% [圖4（b）]，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中過濾效率指標(biāo)要求。為研究聚丙烯口罩多次“熱水泡+荷電再生”后性能，實(shí)驗(yàn)中針對(duì)市售5種品牌型號(hào)的口罩進(jìn)行了“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”重復(fù)10次處理，并測(cè)試了再生10次后口罩對(duì)非油性顆粒物的過濾效率，與新口罩相比，再生10次的口罩過濾效率與新口罩相當(dāng)，表明該類口罩經(jīng)多次“熱水泡+荷電再生”處理后，仍具有與新口罩接近的顆粒物阻隔性能。進(jìn)一步的，針對(duì)材料質(zhì)量良好的KN95級(jí)防護(hù)口罩，開展了口罩耐高溫性試驗(yàn)，將醫(yī)用防護(hù)口罩置于高壓蒸汽滅菌裝置中，經(jīng)121 °C高壓蒸汽處理30 min。實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用牛皮紙袋或帶透氣孔的飯盒等對(duì)口罩進(jìn)行保護(hù)，避免高壓蒸汽直接噴射口罩造成纖維結(jié)構(gòu)的損壞。高壓蒸汽滅菌處理后的口罩，采用電吹風(fēng)機(jī)吹烘10 min荷電或干燥環(huán)境下晾干使荷電恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，經(jīng)121 ℃高壓蒸汽處理30 min并荷電再生后，3M公司防護(hù)口罩和韓國(guó)進(jìn)口KF94級(jí)口罩的過濾效率分別為99.2%和96.6% [圖4（c）]。上述實(shí)驗(yàn)研究表明，再生口罩對(duì)于阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環(huán)境間傳播具有顯著作用。

圖3. （a）靜水壓法測(cè)試口罩防水性示意圖；（b）測(cè)試后的口罩內(nèi)層照片；再生口罩的外層（c）和過濾層（d）的掃描電鏡照片。

3.5. 真實(shí)佩戴對(duì)口罩性能的影響

為研究真人佩戴過程對(duì)不同口罩的影響，本研究中對(duì)不同志愿者累計(jì)佩戴8 h的口罩經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”后的過濾性能進(jìn)行了測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于醫(yī)用外科口罩（15個(gè)樣品），不同志愿者佩戴8 h后口罩過濾效率差異顯著，與新口罩相比，再生口罩的顆粒物過濾效率衰減0.5%～12%；對(duì)于KN95級(jí)防護(hù)口罩（10個(gè)樣品），不同志愿者佩戴8 h，口罩過濾效率與新口罩相當(dāng)，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于顆粒物過濾效率大于95%的要求。需要注意的是，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，某些志愿者佩戴后的口罩，由于皮膚油脂滲透造成口罩表面纖維疏水性變化，導(dǎo)致口罩的抗?jié)B水性有所下降。圖5（a）展示了新口罩外層表面的4個(gè)液滴（包括兩個(gè)純水液滴和兩個(gè)熒光碳點(diǎn)的水相分散體的液滴）。從圖中可以看到，在365 nm紫外光激發(fā)下，兩滴純水并沒有熒光，而兩滴熒光碳點(diǎn)的水相分散體呈現(xiàn)出明亮的熒光。將液滴除去以后，口罩表面沒有殘存的熒光材料[圖5（b）]，表明口罩外層材料具有良好的抗?jié)B水性。然而，如果口罩材料沾染油污，可能會(huì)損傷其抗?jié)B水性。本文提出了一種基于熒光納米顆粒滲透探傷的方法對(duì)口罩進(jìn)行檢測(cè)，即將超小尺寸熒光納米碳點(diǎn)（<5 nm）水相分散體[6]，通過霧化器噴灑到被測(cè)口罩外層表面，熒光納米顆粒水相分散體通過毛細(xì)作用滲入到口罩表面缺陷中，在紫外線照射下通過熒光成像，觀察缺陷跡痕的滲透探傷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新口罩的內(nèi)層無明顯熒光現(xiàn)象[圖5（c）]，表明其具有良好的抗?jié)B水性。而對(duì)于沾染過油溶性物質(zhì)的口罩，由于材料疏水性變化，熒光納米顆粒在“損傷”部位富集，因此能夠觀察到明顯的熒光[圖5（d）]。該研究對(duì)于可重復(fù)使用材料開發(fā)和口罩設(shè)計(jì)提供參考。

圖4. （a）一次性醫(yī)用口罩（JH）和醫(yī)用外科口罩（YB）經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”處理一次后的細(xì)菌過濾效率；（b）市售KN95級(jí)防護(hù)口罩（包括3M公司產(chǎn)品和韓國(guó)進(jìn)口KF94級(jí)口罩）經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”處理一次后，對(duì)非油性氯化鈉顆粒物的過濾效率；（c）5種品牌型號(hào)的新口罩和口罩經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”重復(fù)10次處理后對(duì)非油性顆粒物的過濾效率，其中，一次性醫(yī)用口罩（JH）和醫(yī)用外科口罩（AB, YX）的顆粒物過濾效率測(cè)試依據(jù)YY 0469—2011標(biāo)準(zhǔn)，氣流量為30 L·min–1，KN95級(jí)防護(hù)口罩（3M, KF）的顆粒物過濾效率測(cè)試依據(jù)GB 2626—2019，氣流量為85 L·min–1；（d）KN95級(jí)防護(hù)口罩（3M, KF）經(jīng)121 °C高壓蒸汽處理30 min并荷電再生后的過濾效率。

3.6. 典型應(yīng)用示范

浙江閏土股份有限公司是一家擁有4000多名員工，專業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)分散、活性染料及化工中間體等化工產(chǎn)品的大型股份制上市企業(yè)。在2020年2月中旬，企業(yè)復(fù)工面臨口罩短缺難題。根據(jù)相關(guān)政策規(guī)定，在新冠病毒肺炎疫情期間，工人從事企業(yè)生產(chǎn)需佩戴口罩。但是，在2020年2～3月期間，市場(chǎng)上口罩供應(yīng)難以滿足全面復(fù)工復(fù)產(chǎn)的需求，存在“一罩難求”的局面。浙江閏土股份有限公司的科技人員參考科學(xué)網(wǎng)關(guān)于“口罩荷電再生重復(fù)使用”技術(shù)的科普?qǐng)?bào)道[4]，并自行開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了口罩經(jīng)“熱水泡+荷電再生”的有效性。因此企業(yè)管理層決定，推薦員工應(yīng)用口罩荷電再生重復(fù)使用技術(shù)，安全、高效地使用口罩。在2020年2月20日至3月30日期間，將原先每個(gè)員工每日發(fā)放一個(gè)一次性醫(yī)用口罩，改為每個(gè)員工每三日發(fā)放一個(gè)一次性醫(yī)用口罩，節(jié)約口罩12.25萬只，降低了公司的口罩使用量，也確保了防疫工作的正常開展[7,8]。

4. 總結(jié)

新冠病毒肺炎疫情期間，口罩是不可或缺的防控利器和戰(zhàn)略物資，是保障人民群眾健康的盾牌。隨著新冠病毒肺炎疫情在全球持續(xù)蔓延，世界范圍內(nèi)抗擊新型冠狀病毒的口罩防護(hù)裝備將面臨長(zhǎng)期短缺，給全球疫情防控造成巨大困難。在疫情全球蔓延之初，被中國(guó)等亞洲國(guó)家當(dāng)作防疫必備的口罩，一直未得到歐美國(guó)家重視，但是隨著疫情的大規(guī)模暴發(fā)和無癥狀感染者的出現(xiàn)，“口罩文明”已逐漸成為各國(guó)共識(shí)[9]。越來越多的研究表明，佩戴口罩對(duì)疫情防控具有重要意義[10]。因此在全球范圍內(nèi)，口罩產(chǎn)品的供需矛盾仍舊十分突出，如何在保證安全的情況下，讓每一只口罩發(fā)揮最大效能，數(shù)倍甚至十倍以上地提高防護(hù)口罩的有效使用時(shí)間，是疫情防控所急需解決的關(guān)鍵科技問題。我們研究團(tuán)隊(duì)在2020年2 月中旬提出口罩荷電再生重復(fù)使用技術(shù)方法，即首先將口罩置于大于56 °C熱水中浸泡30 min，隨后用電吹風(fēng)機(jī)吹烘約10 min吹干并荷電，為解決新冠病毒肺炎疫情應(yīng)急時(shí)期口罩再生重復(fù)使用問題，提供了一種簡(jiǎn)便易行的方法思路。在本文中，進(jìn)一步總結(jié)了對(duì)三類典型口罩（一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、KN95級(jí)防護(hù)口罩）“熱水泡滅毒+荷電再生”的實(shí)驗(yàn)研究和性能評(píng)價(jià)結(jié)果。通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試表明，經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”重復(fù)10次后，再生口罩的過濾效率仍與新口罩保持相當(dāng)。需要注意的是，為了滿足口罩防護(hù)制品的需求，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家都在研究新的技術(shù)方案。例如，美國(guó)內(nèi)布拉斯加州大學(xué)醫(yī)療中心使用紫外線對(duì)N95口罩進(jìn)行消毒后重復(fù)使用，而Bioquell公司利用汽化形式的過氧化氫對(duì)N95口罩進(jìn)行凈化處理[11]。美國(guó)4C公司研究人員和斯坦福大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)的研究認(rèn)為在溫度為85 °C的條件濕熱處理30 min，是一種有潛力的N95口罩消毒凈化方法，紫外線輻照可能會(huì)對(duì)口罩材料的強(qiáng)度等造成不良影響[12]。

與紫外線輻照、過氧化氫蒸氣消毒機(jī)、恒溫恒濕箱等“高科技”方法相比，我們團(tuán)隊(duì)提出的“熱水泡滅毒+荷電再生”的技術(shù)方案更適宜居家操作，且有助于口罩表面清潔和消除異味，獲得更加舒適的佩戴體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究表明，電吹風(fēng)荷電方法可使口罩過濾層靜電量恢復(fù)至新口罩的90%，與自然晾干荷電再生的方法相比，電吹風(fēng)能夠迅速移除熱水泡處理后口罩的水分，更快速恢復(fù)纖維的靜電吸附能力，適用于潮濕地區(qū)和潮濕天氣環(huán)境下口罩的快速荷電再生，且可避免潮濕環(huán)境下細(xì)菌微生物的繁殖，降低口罩重復(fù)使用的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)三類典型口罩（一次性醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、KN95級(jí)防護(hù)口罩），經(jīng)“熱水泡（30 min）+電吹風(fēng)荷電（10 min）”后，結(jié)果表明，再生口罩與新口罩具有相當(dāng)?shù)目節(jié)B水性、微觀結(jié)構(gòu)和過濾效率。對(duì)于質(zhì)量良好的KN95級(jí)防護(hù)口罩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)121 °C蒸汽處理30 min并荷電再生后的口罩，過濾效率與新口罩相當(dāng)。系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再生口罩對(duì)于阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環(huán)境間傳播具有顯著作用。開展了真人佩戴過程對(duì)不同初始性能的口罩的性能演變的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于醫(yī)用外科口罩，不同志愿者佩戴8 h后口罩的過濾效率差異顯著，再生口罩與新口罩相比，顆粒物過濾效率衰減0.5%～12%；對(duì)于KN95級(jí)防護(hù)口罩，不同志愿者佩戴8 h，經(jīng)121 °C蒸汽處理30 min并荷電再生后，再生口罩過濾效率大于95%。研究發(fā)現(xiàn)佩戴者皮膚分泌物對(duì)口罩滲水性的影響，建立了基于熒光納米顆粒滲透探傷的口罩檢測(cè)新方法。在新冠病毒肺炎疫情期間，許多研究者關(guān)注口罩的可重復(fù)使用，以及可重復(fù)使用口罩的研發(fā)。一些學(xué)術(shù)團(tuán)體已經(jīng)制定《可重復(fù)使用民用口罩》（T/BJFX 0001—2020）、《可重復(fù)使用日常防護(hù)口罩》（T/CSTM 00387—2020）等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的可重復(fù)使用口罩產(chǎn)品正在走向市場(chǎng)[13]。我們希望本文能夠?yàn)橥苿?dòng)緩解應(yīng)急時(shí)期口罩短缺，以及可重復(fù)使用口罩材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒和參考。

圖5. （a）醫(yī)用口罩外層液滴（兩個(gè)純水液滴和兩個(gè)熒光碳點(diǎn)的水相分散體的液滴）在日光燈和紫外燈下的照片；（b）除去液滴后的口罩外層在日光燈和紫外燈下的照片；經(jīng)熒光納米顆粒滲透探傷方法檢測(cè)后新口罩內(nèi)層（c）和油滴玷污后的口罩內(nèi)層（d）在日光燈和紫外燈下的照片。

致謝

感謝國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助（2020YFC0844800）。

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