“新冠病毒”的防护罩———医用口罩拦截病毒的原理

◇ 北京 刘 铭

新冠病毒引发的肺炎疫情正在全球暴发，疫情当前，很多国家的医疗物资紧缺，其中就包含医用口罩．不仅医院需要医用口罩，平时生活中，大家出门的标配装备里也必有医用口罩．这小小的口罩里到底有何“玄机”，能起到阻挡强大病毒的作用呢?让我们来揭开它的神秘面纱吧!

医用口罩一般分为三种类型:普通医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩．我们佩戴最多的浅蓝色的一次性医用口罩可以用于一级防护，主要针对的是日常生活和生产中含有病原体的飞沫传播；医用外科口罩适用于医务人员的基本防护，属于二级防护，主要在洁净度要求较高的环境内，比如手术室、护理免疫功能低下患者及进行医学研究时佩戴；但对于防疫一线的医务工作者来说，一、二级防护远远不够，必须进行三级防护，需要佩戴N 95级别口罩，“N”代表notresistanttooil，即不防油，比如无法阻拦炒菜产生的油烟，“95”是指过滤粒径0.075μm±0.02μm的非油性颗粒效率达到95%以上．下面我们对常见的一次性医用口罩和N 95级别口罩的构造、原理进行简单分析．

医用一次性口罩至少包含三层，如图1所示，其原料是聚丙烯（Polypropylene，简称PP），是一种常见的高分子材料，日常生活中很多塑料制品都是聚丙烯做的，比如一次性塑料餐盒、矿泉水瓶等，用这种材料制成无纺布，加工而成的口罩结构称为SMS结构，如图2所示．用来防飞沫的口罩，应保证其外层材料具有较高的疏水性，这是口罩的第一道防线．

图1 医用口罩的构造

图2 无纺布结构示意图

而医用口罩的核心技术主要在M层的过滤层，由一层熔喷无纺布构成．它与普通的纺织布的区别在于其纤维结构，普通纺织布纤维结构如图3所示，其纤维分布工整，纤维之间的缝隙较大；而熔喷无纺布是一种以聚丙烯为材料，以熔喷技术加工（通过高速高温气流喷吹，使熔体细流受到极度拉伸而形成超细纤维），最后由许多纵横交错的纤维以随机方向层层堆叠而成，纤维直径范围在0.5～10μm，网状纤维孔洞的尺寸大概为10μm，扫描电镜如图4．

图3 普通纺织布纤维结构

图4 熔喷无纺布扫描电镜

第一层无纺布的纤维直径要远远大于熔喷无纺布的纤维直径，所以第一层无纺布只能起到初步过滤一部分较大粒子的作用，而其他飞沫粒子，可以通过熔喷过滤层中的其他途径进行拦截．

1）碰撞拦截:一部分粒子在通过过滤材料的网状通道时，由于具有惯性，要保持原来的运动状态，撞击纤维，受分子引力作用被吸附．

2）扩散拦截:一部分小尺度、低速运动的粒子在做布朗扩散运动时，碰到纤维被吸附．

3）气流碰撞:一些中等尺寸颗粒跟随气流运动时，恰巧与纤维表面接触，被纤维拦截．

上述三种情况都是在粒子碰到纤维时被拦截的，但是总会有“漏网之鱼”，如何拦截从纤维缝隙中闯入的微小颗粒呢?这就离不开过滤的关键环节——静电吸附．

4）静电拦截:熔喷无纺布的主要材质是聚丙烯，是一种超细静电纤维布，静电具有吸引轻小物体的性质，所以它可以捕捉粉尘、吸附粒子，这也是医用口罩比我们平常带的普通口罩防菌效果更好的原因．

熔喷无纺布容易产生静电，但如何获得静电呢?工业生产中，可以用驻极处理，利用高压电源，让口罩的聚丙烯纤维极化，就是将纤维的正负电荷分开，并加以固定，如图5所示．微小颗粒靠近熔喷布后，就会被静电吸附在纤维表面，无法透过．

图5 无纺布纤维驻极

为了让聚丙烯网状纤维的电荷分离并固定，外加电压（驻极电压）必须足够大．如表1所示，电压越大，电荷被束缚得越牢靠，过滤效率也就越高．静电吸附不仅仅用在医用口罩上，很多空气净化器也是利用静电吸附达到净化空气的目的．

表1 驻极电压对过滤材料的过滤性能影响

颗粒被静电纤维捕捉后，不能用水清洗，因为普通的生活用水是导体，一旦与口罩的纤维层接触，纤维上的电荷会被水传导一空，无法起到原有的防护作用，因此口罩只能一次性使用．

N 95级别的口罩与普通医用口罩相比，在结构上做了优化，其核心过滤层的层数更多．对比N 95级别口罩和医用外科口罩的截面图，可以清晰地看到，外科口罩的熔喷布厚度为156μm，而N 95级口罩的熔喷布厚度为521μm，是外科口罩的3倍多，如图6所示．

图6

当然，防护性能再好的N 95级口罩也有弊端．它的高防护效果会导致透气性差，容易使佩戴者感到憋闷，所以不太适合小孩、老年人和呼吸障碍者佩戴．

虽说N 95级口罩防范病毒效果更好，但由于N 95级口罩所用熔喷无纺布的层数较多，过度消耗N 95口罩会加快消耗熔喷无纺布资源，引起更严重的口罩紧缺，因此，钟南山院士建议，市民正确佩戴普通医用口罩即可，把N 95级口罩资源留给更需要它的防疫一线工作人员．当然，各国也在努力提高口罩的技术含量，加大口罩的生产投入，我国凭借强大的生产力，在保障本国需求的同时，还向他国捐献、出口大量的医疗物资．生产商也通过静电处理来增强熔喷纤维的过滤能力，使口罩的防护性能大大提高．提高口罩防护性能的核心技术主要在于熔喷布的研发，如何提高熔喷布电荷的驻留时间、避免电荷量过快衰减，一直是技术难题．目前可以通过改进驻极工艺、在原料中添加增能助剂的方法加以改善．相信在不远的将来，会有更多的技术突破随之涌现．