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新知|一只口罩的科技含量

2020-03-12 05:53:51 来源:河北新闻网
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上海3M中国公司漕河泾工厂口罩生产线。据新华社

口罩是目前距离老百姓最近的医学防护用品。抵御细菌病毒及微细颗粒物通过呼吸道对人体的侵害,都离不开它。

在抗击新冠肺炎疫情的非常时期,小小的口罩撑起了大大的一片天,发挥了巨大的作用。从聚丙烯颗粒到医用无纺布,经过口罩机的加工,一只只口罩轻盈而出,再经过严格的消毒,最终成为当前抗击疫情的核心防护物资。

每一个口罩都蕴涵着科技元素。记者近日采访了有关专家,为您揭开关于口罩的科学秘密。

揭秘口罩防病毒原理

口罩的雏形最早出现于中国,当时它是一种围巾,用来遮住口鼻以免呼出的浊气污染食物。随着西方医学的发展,口罩开始用于避免唾液飞溅到外科手术伤口上,并逐渐被推广到临床应用,作为一种防护用具使用。

口罩变成公众常备用品,是伴随着“西班牙流感”而来。从1918年3月到1919年底,全世界大约20%的人感染了“西班牙流感”,疫病蔓延期间,口罩变成了疫区人民必要的常备用品,在预防、阻断病毒传播方面,发挥了积极作用。

2003年抗击“非典”期间,口罩在中国的使用和普及达到高潮。而当前呼吸系统传染病和空气污染,使人们越发地认识到了口罩的防护价值。

那么,口罩是如何在微生物和病原体的世界中,保护我们不被入侵的呢?

“常见的医用外科口罩由表层抗湿层、中间过滤吸附层及内层贴肤层三部分组成,其中,表层抗湿层及内层贴肤层多为纺粘非织造布,而中间过滤吸附层包含一层或多层带有静电的熔喷非织造布,起到核心防护作用。”河北科技大学纺织服装学院院长张威说。

据介绍,熔喷布由超细纤维组成,直径集中分布于1微米-5微米之间,纤维间形成数量众多的小孔径通孔,使熔喷布具有一定的透气性与过滤功能;纺粘布具有较高的强力,纤维直径在15微米-40微米。

但记者调查发现,新型冠状病毒尺寸很小,直径约60-220纳米。相较而言,熔喷非织造布的纤维间空隙依旧很大,那么它是如何起到过滤病毒的作用呢?

新冠肺炎和其他大多数的呼吸道传染病的病毒随呼吸道飞沫(粒径1微米-5微米)进入空气中,飞沫只能在传染源1米至2米的空间内近距离传播。进入空气中的飞沫很快蒸发,病毒就会依附在空气中飘浮的微细颗粒物上,在有限、密闭空间内达到一定浓度,就会随空气进入呼吸道而对人体造成伤害。

“熔喷非织造布作为核心过滤层对含病毒的飞沫或微细颗粒物具有良好的过滤效果。”张威介绍。

“大颗粒由于自身惯性较大,在跟随气流时无法及时转向,会直接撞到过滤纤维上被拦截下来。”张威进一步解释,“惯性撞击”的物理作用可以阻挡一部分较大的颗粒。还有一些大颗粒在通过口罩时会因为直径太大或受到重力作用明显,沉降到过滤纤维上。“粒径越大的颗粒就越容易因为自身惯性作用和过滤纤维拦截机制而被口罩过滤层拦截下来。”

“还有部分小的悬浮颗粒受分子热运动影响,与空气气体分子撞击后,不停地做无规则运动。”张威介绍,这种无规则运动的现象叫作布朗运动,做布朗运动的粒子非常微小,直径约1纳米-30纳米,在周围液体或气体分子的碰撞下,这些较小的悬浮颗粒在跟随气流运动时偏离原有方向,有更大的机会运动到纤维表面而沉降下来。

此外,细微颗粒物和过滤材料都有可能带静电,细微颗粒会因电荷之间存在的作用力或诱导力而沉降在过滤材料上。

但普通过滤材料的这种作用力不能长时间存在,电场强度也很弱,产生的吸引力很小。用这些材料做口罩,达不到医用口罩国家标准的要求。怎样才能提高医用口罩的过滤效率呢?

“对过滤材料进行驻极处理是一个有效办法。”张威介绍,经过驻极处理的材料表面就会存在由大量静电荷形成的电场,这个电场通过静电效应使中性颗粒物带电从而捕获到纤维表面。静电力可以使过滤材料在不增加过滤阻力的情况下,极大地提高过滤材料对细菌、亚微米级颗粒物的捕获效率。

新材料助力口罩发展

随着科技的不断发展,纳米技术也被应用到了口罩上。

研究表明,降低过滤材料中纤维直径可提高过滤效率。因此,新型多功能、高附加值纳米纤维过滤材料引起了广泛关注。

2019年,香港理工大学创新产品与科技讲座教授梁焕方领导的研究团队成功研发了一种带有静电的纳米纤维过滤材料,可以有效阻隔空气中的污染微粒,以及大部分以空气传播的致命病毒,包括流感、“非典”等。

专家介绍,纳米纤维属于一维纳米材料,通过静电纺丝所生产的纳米纤维直径在5纳米-10微米之间,并可以通过调控纺丝参数来实现对纤维直径的控制,同时可以实现多种材料复合纺丝,大大提高了纳米纤维的多样性以及拓宽了纳米纤维的运用途径。

这种纳米纤维过滤材料经测试,采用聚偏二氟乙烯(PVDF)制成,用电晕放电技术把静电加入PVDF纳米纤维,使其能够在近距离与微粒产生电荷相互作用,从而有效吸附微粒。

测试证实,对比已有的带电荷微纤维或没有带电荷的过滤材料,此项新科技突破采用多重静电隔离层设计,具有更高的过滤效率,其过滤效果比现有带静电的口罩高10%。此外,在透气度、电荷稳定性及耐用程度上,该材料都有更优质的表现,静电可维持3个月。

但一般口罩只能将流感、埃博拉、新型冠状病毒拦截而不能将其杀死,容易导致后续的交叉感染。怎么才能在保证维持高效过滤的同时,实现对细菌、病毒的有效杀灭?

“要使纺织品具有抗病毒的功能,还要对材料做一些处理。”专家介绍,主要方法有两种。一种是将具有抗病毒功能的材料做成纳米级的微细颗粒,然后与高聚物仿丝液共混,最后仿丝。另一种是纳米整理法,在织物的后整理过程中将纳米材料添加到织物整理剂中或是以涂层方式复合,从而赋予织物抗病毒的功能。

近几年,利用白云石、纳米银、绿茶提取物等制成抗病毒口罩的消息先后出现在媒体报道上。

其中,纳米材料的出镜率比较高。以纳米银为例,大连大学医学院研究人员曾对纳米银抗流感病毒和新城疫病毒的作用机制进行了研究,证实纳米银对流感病毒和新城疫病毒有明显的抑制作用。其抑制机制可能与纳米银破坏病毒粒子结构及抑制神经氨酸酶活性有关。

全国卫生产业企业管理协会抗菌产业分会联合中国科学院理化技术研究所等单位组成的科研攻关组也曾对抗病毒口罩进行过相关研究。他们研制的速效抗病毒口罩主要采用了BCNT纳米抗病毒技术。该BCNT纳米抗病毒技术是含银纳米材料技术和纳米复合技术的发展成果,能够有效抑制细菌、病毒的活性。

“在抗击新冠肺炎疫情的战疫当中,以口罩和防护服为代表的医用纺织品发挥了重要的作用。”张威表示,医用纺织品将作为战略应急物资纳入国家储备,对国计民生和国家安全具有重要的战略保障意义。

口罩“防效”有门道

口罩的防护效果,不能只看材料,结构、外形和佩戴方式也很重要。

2003年的SARS病毒时使用的棉纱口罩,从外形来看,整个口罩被设计成了一个近似标准的长方形,佩戴方式是将带子系在脑后。

但空气就像水流一样,哪里阻力小就先向哪里流动。“由于人脸具有一定的曲线轮廓,平面口罩与人脸接触部位会存在一定空隙,贴合度较低,很难达到良好的防护效果。”张威说,空气中的细菌病毒就会从不密合处进去,进入人的呼吸道。

为解决上述技术问题,近年来,立体口罩应运而生。

以3M公司为例,立体口罩主要有碗状结构和折叠结构两种类型。这两种型号的口罩在外形的设计上做了很大改良,针对人的面部结构而设计,口罩的贴合性与透气性更强,材质也与之前有所不同,使其功能达到最佳效果。

由于在设计上力求更贴合,一些口罩在佩戴时耳朵、口鼻连接处会很紧,给人们带来了挤压、不舒服的感觉。因此越来越多的研究人员也更加注意到口罩设计上的改良。

前不久,由澳洲悉尼大学及3位设计师共同研发的AusAir口罩,提供了多种尺寸、人体工程学设计、记忆泡沫和魔术贴合的耳挂,并且能在面部轮廓周围形成毛绒密封,佩戴更舒适的同时,也可有效防止病毒和预防疾病。

虽然口罩的制作正在不断革新。但无论是多优良的材料,还是多贴合的设计,若戴口罩不讲究方法,依然等于白戴。

“口罩戴好后,应完全覆盖口鼻和下巴。”医学专家提醒,对于KN95等医用防护口罩,戴上后可通过眼镜镜片是否起雾、口罩四周是否漏气来判断。口罩与面部贴合越好,防护效果越好。

此外,医用一次性口罩、医用外科口罩为平面型,其密闭性不如医用防护口罩、KN95级口罩等立体口罩,更要注意正确的佩戴方法。

“首先要选择合适尺寸的口罩。佩戴时,要让口罩紧贴面部,同时用左右手的手指挤压鼻两侧的铝片,减少四周空气的泄露。”医学专家说,一次性医用口罩有里外之分,浅色面有吸湿功能,应该紧贴嘴鼻,深色面朝外。防护型口罩有标识的一面朝外,有金属片的一边向上。(河北日报记者王璐丹)

热点释疑

口罩真的可以消毒后反复使用吗

疫情期间,在口罩库存紧张的情况下,网络传出了用烘箱加热、用酒精消毒、用开水滚烫等各种让口罩循环再用的“神奇妙方”。

乍一看,这些方法与新型冠状病毒怕高温、怕酒精、怕紫外线的弱点完全相符,确实能将口罩上的病毒杀得“一干二净”。但是贴着“一次性”标签的防病毒口罩真的能够走上使用、消毒、再利用的“无限循环”之路吗?

这些口罩消毒法不可取!

“能让口罩产生过滤作用的,是口罩中使用聚丙烯熔喷超细纤维组成的过滤层。”河北医科大学第四医院感染性疾病科主任兼医院感染管理科主任邢亚威介绍,通过驻极处理后,带有微弱电荷的过滤层能在佩戴者每次呼吸时将空气中的杂物进行吸附。部分医用口罩表层还会有防液涂层,用于防止医生接触病患时遇到的飞沫或血液。

“产品的特性决定了一次性口罩不可以反复消毒使用,因为口罩不能耐高温、不能使用消毒剂或者热水浸泡,在重复消毒的过程中,由于无纺布多孔结构存在天然的脆弱性,经历过揉搓变形后其多孔结构会被破坏,过滤材料的孔径将会增大。即使进行消毒、晾干也无法恢复,再使用时无法起到很好的防护效果。”邢亚威说。

并且,经过驻极处理的纤维在高温环境、碰到水和溶剂等情况也会出现静电明显衰退的现象。“因此,无论是高温‘物理消毒’,还是酒精、紫外灯这些‘魔法消毒’,它们都不能对口罩起到完全消毒再利用的效果,反而会影响口罩本身的防护结构,缩减口罩的使用寿命。”

“口罩在出厂之前,都是经过环氧乙烷灭菌消毒的。”邢亚威说,环氧乙烷在常温下是一种气体,是一种广谱灭菌剂,可在常温下杀灭各种微生物,包括结核杆菌、细菌、病毒、真菌等。

“这种消毒方式普通家庭无法实现。”邢亚威说,在当前的疫情条件下,并不提倡对一次性防病毒口罩的消毒再利用。

哪些情况口罩可重复使用?

“口罩的阻隔层就相当于一张大网,即便不考虑口罩的卫生情况,如果这张大网的网孔被各种颗粒物堵上了、网眼被填到一定程度了,没足够的空气进来,我们戴着自然就会感觉呼吸困难,这口罩自然就不能用了。”邢亚威说,原则上口罩都是不能使用很久的。

但在生活中,公众可以通过一些方式尽量延长口罩的使用时间。邢亚威介绍,普通居民在风险较小的地方使用一次性口罩,在保障口罩清洁、结构完整,尤其是内层不受污染的情况下,可放置在洁净、干燥处,通风48小时。或用电吹风60℃处理30分钟。为最大程度减少潜在交叉污染,可单独存放口罩,避免彼此接触,并清楚地标识口罩使用人员。

对于人员密集场所的工作人员,包括从事和疫情相关行业的人员、行政管理人员、警察、保安、快递人员等,可以根据实际情况适当延长口罩的使用时长。一般来说,如果口罩没有明显的脏污变形,可以不必每四小时一换,但如果口罩出现脏污、变形、损坏、有异味时,需要及时更换。(河北日报记者王璐丹)

责任编辑:张云
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