初原載于?工大材料匯????2020-03-27

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材料視角新冠肺炎系列科普??

新冠肺炎

何以牽動人心

口罩篇

病毒肆虐時，在短期內(nèi)迅速提升免疫力很難，我們普通人，應(yīng)該怎么辦？三句話：

加強(qiáng)防護(hù)? 好好睡覺? 平和心態(tài)

在前幾期的推送中，相信大家已經(jīng)充分了解了此次疫情的主導(dǎo)——病毒。自2019年底，人們與新型冠狀病毒的博弈便悄然拉開了帷幕。經(jīng)過近三個月全國上下的不懈努力，中國疫情逐步得到控制，但是國外的情況卻漸漸變得不容樂觀。這場肺炎疫情，無疑牽動著世界所有人的心。而與此同時，“口罩”這個小東西作為疫情防控的重要一環(huán)，成為了現(xiàn)如今每個人的必需品。那么你對于口罩，知多少呢？

勤洗手?戴口罩

一切還要從口罩的歷史說起。口罩的誕生，最初并非為了不讓進(jìn)來，而是為了不讓出去。此話怎講？早在公元前6世紀(jì)就已出現(xiàn)了“類口罩物”，那時崇尚拜火教的古波斯人認(rèn)為人的氣息不潔，進(jìn)行宗教儀式的時候要用布遮住臉。而這一幕也被刻在波斯教古墓墓門上的浮雕上。事實證明，古人一定程度上還是很有先見之明的。1895年，德國病理學(xué)專家萊德奇猜測外科手術(shù)失敗的原因之一為醫(yī)護(hù)人員講話時“不潔”唾液導(dǎo)致了患者的傷口感染。在他的建議下，醫(yī)護(hù)人員戴上了一種用紗布制作能掩住口鼻的罩具，這一舉動果然奏效，病人們的感染率大大降低，這也是口罩首次被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。而口罩從“保護(hù)別人”到“保護(hù)自己”大顯神威，還要說起20世紀(jì)初，西班牙爆發(fā)了可怕的流感傳染病，“西班牙流感”席卷全球，造成約10億人感染，4千多萬人喪生。

隨著疫情的發(fā)展，口罩走下了手術(shù)臺，漸漸成為了人們的抗疫必需品。人們發(fā)現(xiàn)與口罩可以防止發(fā)射唾液到病人的傷口上一樣，其也可以在源頭阻斷病毒從患者口中擴(kuò)散，于是人們便發(fā)現(xiàn)了口罩的新用途——防病毒。此后，口罩便成為了預(yù)防、攔截病毒必不可少的功臣。

發(fā)展至今日，口罩家族也慢慢壯大起來。現(xiàn)如今市面上的口罩可分為5類：醫(yī)用口罩、面紗口罩、無紡布口罩、日常防護(hù)型口罩以及工業(yè)防塵口罩。其中醫(yī)用領(lǐng)域這個老本行依舊是口罩最大的用武之地，你又是否思考過它那輕薄的身軀又是怎樣發(fā)揮隔絕細(xì)菌病毒作用的呢？

勤洗手?戴口罩

首先，讓我們來看看醫(yī)用口罩的工作原理。醫(yī)用口罩大部分為自吸式過濾口罩，工作原理即將含有有害物的空氣通過口罩的濾料過濾后再被人們吸入或者呼出。而口罩濾料的過濾機(jī)理主要分為以下幾種（濾料纖維過濾機(jī)制如下圖所示）：

①?? 擴(kuò)散沉積：粒子布朗運動擴(kuò)散位移到過濾纖維，受分子引力作用而被吸附，從而被困在過濾層復(fù)雜結(jié)構(gòu)當(dāng)中。最易捕捉小尺度粒子、細(xì)纖維和低速運動的粒子。

②?? 截留沉積：隨氣流運動的較大粒子被過濾材料的機(jī)械篩濾作用截留。粒子直徑與濾膜纖維的直徑的比率影響攔截效率。

③?? 慣性沉積：粒子通過過濾材料彎曲的網(wǎng)狀通道時，粒子由于慣性作用脫離氣流撞擊過濾纖維，并受分子引力作用被截留。大粒子、高密度、速度快時截留效果好。

④?? 靜電吸引沉積：粒子被過濾纖維的靜電作用產(chǎn)生的沉積。絕大多數(shù)黨的氣溶膠都會拜倒在靜電的強(qiáng)大的“吸力”之下。

如圖所示，我們可以發(fā)現(xiàn)顆粒較小時1，4沉積效應(yīng)較強(qiáng)，顆粒較大時，2，3效果較好，所以并不像我們自以為的越小的顆粒越難被過濾。若是綜合4種過濾機(jī)制的協(xié)同作用，普通機(jī)械性濾料最易穿透粒徑的范圍則是0.1μm-0.3μm（而醫(yī)用口罩過濾效率測試物的粒子直徑通常也是這個范圍）。

接下來，讓我們從原料和結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)一步探索醫(yī)用口罩。

通常，醫(yī)用口罩的主要原料是聚丙烯（PP）所制造的無紡布，如圖所示，一般由至少三層無紡布制成，呈現(xiàn)為紡粘無紡布-熔噴無紡布-紡粘無紡布的漢堡式結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)一般簡稱為SMS。目前國內(nèi)最高的層數(shù)為5層，即SMMMS巨無霸式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過一定處理后，身為口罩的每一層，它們各司其職：

①?? 外層：一般經(jīng)過防水處理，可以阻斷飛沫。你可以試著拿個口罩往上倒些許水，親自試驗一下（不過關(guān)鍵時期不要浪費新口罩哦?。?/p>

②?? 內(nèi)層：也叫吸濕層，可以比較好的吸收我們呼出的水蒸氣。

③?? 中間層：材質(zhì)為熔噴無紡布，是阻隔病毒發(fā)揮過濾作用頭號選手，也是口罩的核心。醫(yī)用防護(hù)口罩（N95）之所以防護(hù)效果好，很大一個原因即他們有更加厚實的濾料。

熔噴無紡布的主要原料聚丙烯，是一種超細(xì)靜電纖維布。其可以通過靜電吸引的方式將粉塵以及含有病毒的氣溶膠鎖在有著茂密枝干的纖維森林中，一旦被超細(xì)靜電纖維捕捉成功，便極不易因清洗而脫離，用水或者酒精洗反而會破壞靜電的除塵能力（這也是為什么口罩為一次性，不能清洗的原因）。除此之外，因其單位面積纖維和表面積較高，從而具有良好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性。同時，聚丙烯熔噴材料纖維非常細(xì)，要比頭發(fā)絲細(xì)十幾倍，平均只有兩個微米左右，不耐高溫，溫度大于80℃時就會收縮變形，結(jié)構(gòu)破壞。

除此之外，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，口罩材料中的新星也不斷涌現(xiàn)：

看到這里，相信大家已經(jīng)對醫(yī)用口罩有了基本的了解。小編還曾記得疫情之初，社會各大愛心機(jī)構(gòu)紛紛獻(xiàn)愛心，向武漢捐贈口罩。

勤洗手?戴口罩

1 醫(yī)用防護(hù)口罩（N95型口罩）

N95型口罩是NIOSH（美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所）認(rèn)證的9種顆粒物防護(hù)口罩中的一種。“N”表示不耐油（Not resistant to oil）。

“95”表示暴露在規(guī)定數(shù)量的專用試驗粒子下，口罩內(nèi)的粒子濃度要比口罩外粒子濃度低95%以上。其中95%這一數(shù)值不是平均值，而是最小值。防護(hù)等級為N95級表示在NIOSH標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測條件下，口罩濾料對非油性顆粒物（如粉塵、酸霧、漆霧、微生物等）的過濾效率達(dá)到95%。（這種級別的防護(hù)性能適用于密切接觸疑似或高危病毒感染患者的臨床醫(yī)生，而我們普通百姓用起來則不必過分強(qiáng)求。要把資源留給更需要它們的人呀?。?/span>

注意：N95不是特定的產(chǎn)品名稱，只要符合N95標(biāo)準(zhǔn)，并且通過NIOSH審查的產(chǎn)品就可以稱為“N95型口罩”。

N95型口罩的特點在于既能預(yù)防呼吸道感染，又可以防霾。具體的內(nèi)容可以參見“工大材料匯”前期推送《戰(zhàn)勝疫情，我們該怎么做？》。

為什么它的能力這么大呢？讓我們結(jié)合上述口罩機(jī)理及結(jié)構(gòu)，一同來分析分析。

上圖所示的是符合國標(biāo)KN95（與美標(biāo)N95屬于同一級別的標(biāo)準(zhǔn)）的某款在售口罩的結(jié)構(gòu)示意：由外至內(nèi)的“四層防護(hù)”分別是丙綸無紡布、靜電濾棉、噴熔布、親膚無紡布。

顯而易見的，最外層的丙綸無紡布是一道“物理防護(hù)”，歸功于丙綸（聚丙烯纖維）出色的物理性能：丙綸的吸濕性很小，幾乎不吸濕，一般大氣條件下的回潮率接近于零。但它有芯吸作用，能通過織物中的毛細(xì)管傳遞水蒸氣，但本身不起任何吸收作用。這樣，佩戴的時候就能在達(dá)到外層面料防水的同時，實現(xiàn)呼吸的相對順暢。

即便病毒或其他的污染物能通過第一套防線，還有靜電濾棉等著它們。通過靜電感應(yīng)，使得不帶靜電的微粒被吸附停留至此。防霾的主要功效也是在此發(fā)揮的。

熔噴布作為口罩的大心臟，我們在前面已經(jīng)多多地夸贊過它了。大家還記得這位三好學(xué)生嗎？

最內(nèi)一層的無紡布主要是為了讓佩戴更加舒適，對防護(hù)不應(yīng)產(chǎn)生明顯作用。

于是，經(jīng)過一層又一層類似“過篩子”一樣的三層過濾之后，這樣的口罩就達(dá)到了很好的防護(hù)效果。

2 醫(yī)用外科口罩

這種口罩是醫(yī)院中很常見的口罩，為醫(yī)護(hù)人員工作時所佩戴的口罩。主要用于醫(yī)療門診、實驗室、手術(shù)室等高要求的醫(yī)療環(huán)境，安全系數(shù)相對較高，對于細(xì)菌、病毒的抵抗能力以及防液體噴濺能力較強(qiáng)。其對空氣中大于5μm顆粒，過濾效果≥90％，可用于預(yù)防流感、呼吸系統(tǒng)疾病的傳播（對于不會密切接觸疑似新型冠狀病毒感染患者的普通人來說，外科口罩就能夠滿足日常需求啦?。?/span>。

醫(yī)用外科口罩的結(jié)構(gòu)相對簡單，僅為三層，對應(yīng)于上文所提到的SMS結(jié)構(gòu)。

3 醫(yī)用普通口罩

又被稱為護(hù)理口罩，或是直接稱為醫(yī)用口罩。這類口罩對液體飛濺阻隔作用較小，密合性也不好，而且非油性顆粒過濾效率也沒有達(dá)到國標(biāo)的KN90標(biāo)準(zhǔn)。因此這種普通的醫(yī)用口罩難以滿足在公共場所對于病毒預(yù)防的需求。

不過（敲黑板）！這種普通口罩還是有它的用武之地的！隨著春天的到來，萬物復(fù)蘇、百花齊放，生機(jī)勃勃。隨著大自然的美好一點點在人們面前綻放的同時也帶來了一些煩惱——花粉隨之而來，楊絮柳絮漫天飛舞。每年這個時候?qū)τ谶^敏人士而言也是一場極大的考驗，但是有了這種醫(yī)用普通口罩！我們就松一口氣，高枕無憂了。醫(yī)用普通口罩雖然對于病毒防范不足，不過對于大顆粒的東西卻是綽綽有余。

最后，給大家分享一些關(guān)于使用口罩的小貼士（大家仔細(xì)思考為什么要或者不要呢？tips：答案就在文章中哦）！

①???不能用酒精清洗口罩或者高溫蒸煮進(jìn)行消毒

②???不能將口罩反戴

③?? 戴口罩要注意將鼻夾完全貼合

④?? 摘口罩時注意不要觸碰到口罩外側(cè)

⑤?? 在空曠的地方沒必要戴上口罩

遏制疫情，從自身做起！堅持就是勝利，希望的曙光已經(jīng)在向我們招手。大家在家要記得每天打卡報平安哦！

本期問題：

Q1：口罩的工作機(jī)理有幾種？分別是？

擴(kuò)散沉積、截留沉積、慣性沉積、靜電吸引沉積

Q2：你還知道哪些應(yīng)用到SMS結(jié)構(gòu)的物品嗎？

精選留言：

空氣凈化器

——Вперед, товарищи

參考文獻(xiàn)：

[1]《醫(yī)用口罩產(chǎn)品注冊技術(shù)審查指導(dǎo)原則》

[2] 楊杰. 口罩的歷史[J]. 世界環(huán)境, 2019(4):8-8.

[3] 唐舟，王成學(xué)，胡麗君.各類型口罩在疫情防控期間的臨床應(yīng)用場景[N].中國醫(yī)藥報,2020年，第002版

[4]陳士新.醫(yī)用口罩的特點與應(yīng)用[J]. 護(hù)理實踐與研究，2010年，第 7卷第 19期 (上半月版 )

[6] 《怎樣自制高效的醫(yī)用外科/防護(hù)口罩》-知乎

[5] 《什么是N95口罩？什么是醫(yī)用防護(hù)口罩和醫(yī)用外科口罩？中國一天口罩產(chǎn)能是多少？》-知乎

[7]《酒精會影響口罩的效果嗎》-知乎

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

本文圖文提供：材料學(xué)院科普部

本文圖文整理：劉孟茜

本文圖文編輯：許心雨

本文圖文審核：于世龍

時任責(zé)任編輯：王雪篪

時任總編輯：李曉萌