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從微觀角度解答口罩的防病毒原理
集萃印花網  2020-04-13

    【集萃網觀察】

    一場突如其來的疫情,讓防病毒口罩一時間成為熱門話題。市面上的口罩種類很多,在這些口罩中,醫用外科口罩以及N95級口罩可以起到良好的防病毒的作用。那么其防病毒的原理是什么呢?

醫用外科口罩,一般分成 3 層:(內層)吸濕層、(中層)核心過濾層和(外層)阻水層。

    而N95級別口罩與醫用外科口罩相比,結構上做了優化,其核心過濾層的層數更多,甚至,3M、霍尼韋爾等生產商通過靜電處理來增強纖維的過濾能力,口罩的防護性能要更好一些。

    這兩種口罩之所以能夠有效防病毒,關鍵在于它們的核心過濾層均由一層熔噴非織造布構成,該熔噴非織造布是一種以聚丙烯為材料,由許多縱橫交錯的纖維以隨機方向層疊而成的膜,纖維直徑范圍 在0.5~10 μm,掃描電鏡圖如下。

    從掃描電鏡中可以看到,熔噴非織造布的纖維間空隙依舊很大,所以它是如何過濾環境中病毒的?雖然新型冠狀病毒尺寸很小,在 100 nm左右,但是病毒無法獨立存在,其傳播途徑主要有分泌物和打噴嚏時的飛沫,而飛沫的大小在 5 μm左右。熔噴非織造布可通過多種過濾機制實現對飛沫等的過濾,纖維空隙可起到‘篩‘的作用,但這只是最基本的相互作用之一。

    根據飛沫顆粒的大小和氣流速度,纖維可通過多種機制捕捉含病毒飛沫:

    · 慣性碰撞 —— 存在較大的慣性的大顆粒遇到過濾纖維時,由于其慣性而無法改變方向,因此會撞擊纖維并附著在纖維上。

    · 攔截 —— 當顆粒沿著氣流運動,碰巧與纖維表面接觸時,容易跟隨氣流移動的中等尺寸顆粒與過濾纖維接觸,被纖維攔截。

    · 擴散 —— 當粒子尺寸極小時,受隨機粒子運動(小粒子的布朗運動)控制,運動方向脫離氣流方向,碰到纖維時被吸附。

    · 靜電吸引 —— 當纖維上存在靜電荷時,纖維上的靜電荷對顆粒會產生靜電粘附。

    而要發生這些相互作用,要求纖維的直徑要盡量小,而熔噴非織造布中的纖維直徑在 0.5~10 μm之間,比表面積大,排列緊密,過濾性能好。在醫用外科口罩與 N95 口罩中均使用了熔噴布作為核心過濾層,所以對含病毒的飛沫或氣凝膠均具有良好的過濾效果。

    由于N95級口罩所用熔噴非織造布的層數較多,過度消耗N95口罩會過快消耗熔噴非織造布資源,引起更嚴重的口罩緊缺。據相關生產廠負責人表示,目前熔噴非織造布的價格上漲,原材料緊缺。因此,我們也呼吁讀者遵守鐘南山院士的倡議,在日常生活中使用醫用外科口罩即可,減少N95口罩的消耗,把生產資源留給真正需要的醫護人員和疫區的同胞們。

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