我们为什么要研究更好的口罩材料？

2023-01-31 12:23:52 来源：科普中国

出品：科普中国

作者：Vivian

(资料图)

监制：中国科普博览

现在，口罩已经成为日常生活中的必备单品。或许我们已经习惯了物美价廉的浅蓝色长方形无纺布在病毒面前为我们搭建的防护屏障，认为小小一只口罩已经没有什么科技进步的空间了。

但事实并非如此，一只高科技口罩的诞生，对于你我甚至地球而言，意义重大。

一次性医用口罩

（图片来源：VEER图库）

隔离病毒的是什么布？

我们每天使用的一次性医用防护口罩之所以能形成阻隔病毒的屏障，有赖于其中间层---熔喷布。简而言之，熔喷布是一种塑料制品，是由石油工业产品聚丙烯加热后，经熔喷工艺制成纤维后得到的。

而熔喷工艺，是过滤产品生产中普遍使用的工业技术，可以制造出直径为2-20微米的聚丙烯纤维。经过后续驻极处理后，聚丙烯纤维还可以带上电荷，当包含病毒的飞沫靠近时，它可以发挥“静电神力”将它们吸附在表面，从而实现防护的效果。

聚丙烯熔喷布的纤维结构

（图片来源：参考文献2）

正是这些我们肉眼看不到的纤维结构，使得熔喷布成为防护病毒的“神盾”。因此聚丙烯在熔喷过程中形成的纤维尺寸就显得尤为重要。

采用熔融指数更高的聚丙烯制成的熔喷布，具有直径仅为0.1-2微米的纤维，比头发丝还要细千倍，因此孔隙率更高，可以改善口罩的透气性、降低过滤阻力。一方面提高对病毒的防护能力，另一方面也使得佩戴过程更加舒适。

不仅如此，更细的聚丙烯纤维意味着熔喷布的单位面积密度更低，可以降低口罩成品对不可再生的化石原料的消耗。

此外，聚丙烯十分稳定，在海洋环境中甚至需要400年才能降解。如果可以降低口罩中熔喷布的密度，就可以减少向环境输出塑料垃圾的总量。

所以说，将聚丙烯纤维变得更细，以“开源”和“节流”双管齐下，可以为地球大大减负。

聚丙烯纤维怎么变细呢？

如果我们可以像大圣指挥如意金箍棒一样，口念“变细、变细、变细”就可以得到直径更小的聚丙烯纤维，那可真是得来全不费工夫。但我们并没有此等神通，不过倒也不必灰心丧气，有高科技手段助力！

在利用熔喷技术制造聚丙烯纤维时，熔融的聚合物流体会经由喷嘴被注入高速气体/空气射流中。气体射流的冲击对聚合物流体产生强大的牵引力，使得纤维直径迅速降低至远低于喷嘴直径的大小，而后被收集成自粘结网，从而生产微纤维。

熔喷过程示意图

（图片来源：参考文献3）

熔喷设备的喷嘴可不简单，上面分布着成百上千个孔洞，作为聚丙烯流体的出口。通过提高喷嘴上孔洞的数量以及优化它们在喷嘴上的分布，配合特定角度的导气槽，就可以将聚丙烯纤维的平均直径降低至300-500纳米。

除了喷嘴，或许还可以在聚丙烯上做做文章。在熔喷过程中，聚丙烯原料需要加热从固体变成熔融态，就像黏糊糊的流体一样。而提高温度，可以降低聚丙烯流体的粘度，也就使得它的流动性更好，在气流作用下受力能获得更细的纤维。

然而，升高温度是有限制的，那就是要避免聚丙烯在高温下发生分解。于是，研究人员独辟蹊径，把目光放在了如何加热喷嘴处的聚合物这方面。

想象一下，当聚丙烯被挤出喷嘴时，迎面遇到一束激光，在喷嘴处的熔融状态的流体就会被加热，而装置内的其他聚丙烯却不受影响。这些经历激光洗礼的“排头兵”因为温度升高，粘度降低，变得稀溜溜，再配合高速气流的牵引拖拽，嗖地一下就能完成“瘦身”。

激光处理喷嘴处的聚丙烯得到更细的纤维

（图片来源：参考文献4）

办法总比困难多嘛！源自科研人员的巧思，激光的加入使得熔喷技术制备的聚丙烯纤维平均直径降低到450纳米，而这只需要0.7W的激光就可以做到。

更细的聚丙烯纤维有多重要？

也许你会问，有必要如此大费周章，只为了降低聚丙烯纤维的直径？难道我们现在用的口罩不够轻？防护效果不够好？

这样做的意义可能远比我们想得还要重要。

更细的聚丙烯纤维，不仅提高了对病毒等颗粒物的拦截，同时降低了聚丙烯的用量。在当前背景下，全球每天消费的口罩数量据估计可达到4.6亿。

全球每天使用口罩数量分布图

（图片来源：参考文献4）

当使用后的口罩被丢弃，它们便从健康的守卫者变成了垃圾。当前，每一只口罩需要使用约0.7克聚丙烯，仅需要简单地计算就可得知，全球每年消费和丢弃的聚丙烯纤维高达115万吨。而用更细的聚丙烯纤维制成的口罩，防护效果更佳的同时，每只口罩需要的聚丙烯纤维仅为0.13克。这一技术不仅为全球每年节约92万吨聚丙烯原料，还为地球环境减少了大量的不可降解的塑料垃圾。

不仅如此，聚丙烯纤维更细的口罩还有助于减少废弃口罩给其他动物和地球环境带来的危害。聚丙烯在自然环境中非常稳定，其降解时间甚至在400年以上。当废弃口罩以不正确的方式进入环境中，不明就里的动物很可能误食，引发严重的健康危害。2020年9月，在巴西海滩上发现的一具企鹅尸体的胃中，就发现了一只完整的口罩，这很可能使它死亡的主要原因。

而在我们看不到的地方，地球正以无言的方式，承受着塑料污染的影响。在美国圣巴巴拉沿岸580米深的海底，在高纬度的北极，在8840米的珠峰，都已经发现了塑料污染物的痕迹。而这些污染或许正潜移默化地影响着我们人类自身。

所以，在看到口罩对我们的保护的同时，也不应该忽视没有被正确处理的废弃口罩对环境和生物的不良影响。

口罩VS病毒

（图片来源：veer图库）

因此，一只纤维更细的高科技口罩的诞生，于你我健康，于万物生灵，于自然环境，都显得如此非凡。而在这一过程中让我们保持举重若轻心态的底气，源于可持续发展的理念，更源于科技的进步。

编辑：孙晨宇

参考文献：

1.医用口罩过滤材料的研究进展. 纺织学报[J], 2020, 41, 158-169.

2.聚丙烯材料在医用口罩中的应用. 材料与应用[J], 2020, 46, 33-36.

3.Fabrication of nanofiber meltblown membranes and their filtration properties[J]. Journal of Membrane Science，2013, 336-344.

4.Saving 80% Polypropylene in Facemasks by Laser-Assisted MeltBlown Nanofibers[J]. Nano Letter, 2022, 22,7217-7219.

关键词：参考文献纤维结构平均直径