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口罩应该如何选择(二)

口罩应该如何选择(二)


能起到病毒防护作用的口罩主要有医用外科口罩和N95口罩。国家YY 0469-2004《医用外科口罩技术要求》标准规定,医用外科口罩须达到的重要技术指标包括过滤效率、细菌过滤效率和呼吸阻力:

过滤效率:在空气流量(30±2)L/min条件下,对空气动力学中值直径(0.24±0.06)μm氯化钠气溶胶的过滤效率不低于30%;

细菌过滤效率:在规定条件下,对平均颗粒直径为(3±0.3)μm的金黄色葡萄球菌气溶胶的过滤效率不低于95%;

呼吸阻力:在过滤效率流量条件下,吸气阻力不超过49Pa,呼气阻力不超过29.4Pa。

其中保证细菌过滤效果的标准就是第二条,金黄色葡萄球菌细菌气溶胶过滤效率不低于95%,这也就是N95概念的由来。因此N95口罩虽然不是医用口罩,但是满足过滤效率满足95%的标准,且能更好地贴合人体面部,所以也能起到很好的病毒预防作用。

而给这两种口罩带来病毒过滤作用的主要材料就是极细密且带静电的内层过滤布——熔喷无纺布。熔喷无纺布主要材质是聚丙烯,是一种超细静电纤维布,可以捕捉粉尘。含有肺炎病毒的飞沫靠近熔喷无纺布后,会被静电吸附在无纺布表面,无法透过。这就是这种材料隔绝病菌的原理。粉尘被超细静电纤维捕捉住后,极不易因清洗而脱离,且水洗亦会被破坏静电的吸尘能力。因此这种口罩只能一次性使用。

医用外科口罩一般是由三层无纺布制成。材料是纺粘无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。也可以一层改用短纤改善皮肤触感,即ES热轧无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。口罩外层具有防飞沫设计,中层过滤,内存吸湿。熔喷布一般选用20克重的。

而N95杯型口罩则由针刺棉、熔喷布及无纺布组成,其熔喷布通常采用40克重甚至更高,再加上针刺棉的厚度,所以外观上看起来比平面口罩更厚一些,其防护效果至少能达到95%。几层口罩,在口罩的国家标准GB/T 32610中并没有规定,如果是医疗用口罩,至少应该是3层,即我们说的SMS(2层S层和1层M层),目前国内最高的层数是5层,即SMMMS(2层S层和3层M层),做口罩并不难,比较难的是做SMMMS布,一台进口的无纺布设备价格都是上亿元。

这里面的S表示纺粘层(Spunbond),其纤维直径比较粗,在20微米(μm)左右,2层S纺粘层主要作用是支撑整个无纺布结构,对阻隔并没有太大的作用。口罩里面最重要的是阻隔层或则熔喷层M(Meltblown),熔喷层的纤维直径比较细,在2微米(μm)左右,所以只有纺粘层直径的十分之一,这个对防止细菌、血液渗透其至关重要的作用。如果S纺粘层过多,口罩就比较硬,而熔喷层M过多,则呼吸比较困难,所以从口罩呼吸的难易程度可以判断口罩的隔绝效果,呼吸越困难,则阻隔效果更好,但是,如果M层变为薄膜,就基本上不透气了,病毒是阻隔了,但人也无法呼吸了。所以,这也是一个技术问题。

为了更能说明问题,我们将纺粘层S纤维,熔喷层M纤维和头发做一个对比图如下,头发直径的1/3,接近纺粘层纤维,而头发直径的1/30,和熔喷层M纤维直径接近了,当然,研发人员还在开发更细的纤维,来保证更好的抗菌阻隔性。


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这是常见的医用口罩,主要由三层无纺布组成。内层是普通无纺布;外层是做了防水处理的无纺布,主要用于隔绝患者喷出的液体;中间的过滤层用的是经过驻极处理的聚丙烯熔喷无纺布;最后生产完毕后要经过环氧乙烷消毒并静置7天挥发毒性,经过密封包装,装箱运走。

医用口罩的核心材料,就是驻极处理之后的聚丙烯熔喷无纺布。请务必记住这两个关键词,因为这是过滤新冠病毒气溶胶的关键。

1. 原材料:聚丙烯(PP)颗粒

我就不去讲原油是如何在炼厂变成聚丙烯的了。大家只要知道,中石化、中石油、中海油的炼化工厂,除了检大修之外,过年期间也是绝对不会停工就好,保证我们的汽柴油、化工原料(聚乙烯、聚丙烯)等持续生产,不会断供,这也是央企的担当(当然民企也不愿意停工,因为停工就耽误生产,耽误挣钱)。

从化工厂生产出来的聚丙烯颗粒就长这样,我们买的塑料水壶、餐具之类,大部分都是聚丙烯做的。聚丙烯多少钱呢?目前的期货价格是7000元/吨。一辆大货车大概能拉30吨,所以通过物流提一车聚丙烯,成本大概是20万元左右。

2. 聚丙烯纤维生产

就像纺织需要植物纤维一样,无纺布的生产同样需要纤维料。聚丙烯颗粒是拿来融化塑形的,而高熔指聚丙烯纤维料,才是生产口罩的核心原料。

2019年国内聚丙烯纤维的产量约为170万吨,其中能用于口罩的高熔聚丙烯纤维约为95万吨。生产单位就有我们中石化的镇海炼化、上海赛科、荆门石化、海南炼化、茂名石化、石家庄炼化、广州石化等等,中石油的炼厂也有一批,我不熟。

这次为了应对疫情,中石化部分炼厂已经开始调整生产计划,将于2月开始不断增产高熔指聚乙烯纤维料,独山子石化也随时待命等待调整。所以这部分材料主要是库存不足,产能上来以后,PP纤维的原材料供应绝对充足,只要路不断就行。

无纺布的生产商需要从经销商或者化工厂那里采购聚丙烯纤维作为原材料,所以物流的道路是不能断的。如果无纺布生产商的城市封路,就意味着原材料的供应被切断了,那还怎么生产?聚丙烯纤维多少钱呢?阿里巴巴上查到的零售价是10000元/吨,数量级不会差。有各大央企在,聚丙烯纤维不会缺货,价格也不会飞涨的,大家可以放心。

3. 熔喷无纺布生产

熔喷法(Melt Blowing)属于聚合物挤压法非织造工艺,是1954年美国海军为了收集核试验产生的放射性微粒研制的超细过滤效果的过滤材料,然后1965年前后,埃克森、3M等公司制造了第一代熔喷非织造设备。

工艺原理,就是用高速热空气对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸,由此形成超细纤维并凝聚在凝网帘或滚筒上,依靠自身粘合成为非织造布,喷丝的原理如下图:

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熔喷材料是靠自身纤维热熔而成,厚度更厚熔喷法生产的无纺布,纤维的随机和隔层交叉排列,形成了熔喷材料多弯曲通道结构,这样颗粒物(新冠病毒气溶胶)才会与纤维产生碰撞而被滞留。

划重点:医用口罩的过滤机制是布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降和静电吸附。前四种都是物理因素,就是熔喷法生产的无纺布自然具有的特性,过滤性约为35%;这是达不到医用口罩要求的,我们需要对材料进行驻极处理,让纤维带上电荷,用静电捕获新冠病毒所在的气溶胶。


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