一次性口罩材料三级中红外光谱研究

于宏伟，张雨萱，刘逸波，刘昊雨，栗亚钊

(石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035)

新型冠状病毒的传播途径主要为接触传播、飞沫传播和气溶胶传播[1]，故新冠肺炎疫情暴发以来，作为重要个人防护用品的一次性口罩(以下简称“口罩”)的需求量急剧增加。口罩由非织造材料生产，具有孔径小、孔隙率高、过滤效率高、价格低等优点[2-4]。随着疫情的发展，在相当长的一段时间内，特别是秋冬季，人们除了需要保持一定的社交距离，还需要佩戴口罩。

中红外(MIR)光谱被广泛应用于纤维结构研究[5-6]，而变温中红外(TD-MIR)光谱[7-9]和二维中红外(2D-MIR)光谱[10]则可应用于温度变化对纤维结构及热稳定性影响的研究。课题组重点开展了口罩材料的三级中红外(MIR)光谱研究，以期为口罩的生产及科学使用提供参考。

1 实验

1.1 材料

口罩，蓝色两层熔喷布。执行标准：Q/YASO 002—2020《一次性口罩标准》[11]；授权商：杭州释水电子商务有限公司；制造商：湖北航康医疗器械有限公司；生产地址：湖北省天门市仙北工业区。

1.2 仪器

红外光谱仪(Spectrum 100 型)；ATR-FTIR 变温附件(Golden Gate 型)；ATR-FTIR变温控件(WEST 6100+型)。每次实验以空气为背景，对信号进行 8 次扫描累加；测温范围为303～393 K，变温步长为10 K。口罩材料的 MIR 及 TD-MIR 光谱数据采用 Spectrum V 6.3.5 软件获得；口罩材料的 2D-MIR 光谱数据采用TD Versin 4.2 软件获得。

2 结果与讨论

2.1 口罩材料MIR 光谱

口罩材料主要包括熔喷布、鼻梁条和松紧绳。采用 MIR 光谱分别开展了口罩熔喷布(包括白色内侧和蓝色外侧)、鼻梁条和松紧绳的结构研究(见图 1)，发现口罩熔喷布和鼻梁条化学结构相同，而与松紧绳化学结构差异较大。接下来进一步详细开展熔喷布(白色内侧)和松紧绳的 MIR 光谱研究。

图1 口罩材料 MIR 光谱(303 K)Fig.1 MIR spectrum of mask material (303 K)

首先，开展了口罩熔喷布(白色内侧)的结构研究。其中，2 917.81 cm-1处的吸收峰属于熔喷布分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-熔喷布-一维)，2 868.29 cm-1处的吸收峰属于熔喷布分子 CH3对称伸缩振动模式(νsCH3-熔喷布-一维)，1 455.80 cm-1处的吸收峰属于熔喷布分子 CH3不对称弯曲振动模式(δasCH3-熔喷布-一维)，1 376.12 cm-1处的吸收峰属于熔喷布分子 CH3对称弯曲振动模式(δsCH3-熔喷布-一维)。此外 ，1 167.13 cm-1(δcrystalline-1-熔喷布-一维)、997.82 cm-1(δcrystalline-2-熔喷布-一维)、899.22 cm-1(δcrystalline-3-熔喷布-一维)、841.30 cm-1(δcrystalline-4-熔喷布-一维)附近存在着一系列与熔喷布分子聚丙烯晶体结构有关的谱带(δcrystalline-熔喷布-一维)，最终确定熔喷布(包括白色内侧和蓝色外侧)和鼻梁条的主要化学结构为聚丙烯(PP)。

2.2 口罩材料的TD-MIR 光谱

2.2.1口罩熔喷布(白色内侧)

在 303～393 K开展了口罩熔喷布主要官能团 TD-MIR 光谱研究(见图 2)，相关光谱数据见表 1。

表1 熔喷布TD-MIR 光谱数据(303～393 K)Tab.1 Data of TD-MIR spectrum of melt-blown nonwovens (303～393 K)

根据表 1 的数据可知，随着测定温度的升高，熔喷布νasCH2-熔喷布-一维、νsCH3-熔喷布-一维对应的吸收频率发生了蓝移，熔喷布δcrystalline-1-熔喷布-一维和δcrystalline-4-熔喷布-一维对应的吸收频率出现了红移，而其他官能团的吸收频率没有规律性改变。随着测定温度的升高，熔喷布主要官能团对应的吸收强度没有显著改变。

2.2.2口罩松紧绳

在303～393 K开展了松紧绳主要官能团 TD-MIR 光谱研究(见图 3)，相关光谱数据见表 2。

图2 熔喷布的TD-MIR 光谱(303～393 K)Fig.2 TD-MIR spectrum of melt-blown nonwovens(303～393 K)

图3 松紧绳 TD-MIR 光谱(303～393 K)Fig.3 TD-MIR spectrum of elastic rope(303～393 K)

表2 松紧绳 TD-MIR 光谱数据(303～393 K)Tab.2 Data of TD-MIR spectra of elastic rope (303～393 K)

2.3 口罩材料

2.3.1口罩熔喷布(白色内侧)

熔喷布δsCH3-熔喷布吸收峰强度较大，并且有丰富的光谱信息，故进一步开展了熔喷布δsCH3-熔喷布的 2D-MIR 光谱研究。

在1 400～1 350 cm-1频率开展了熔喷布δsCH3-熔喷布的同步 2D-MIR 光谱研究(见图 4)，在(1 375 cm-1，1 375 cm-1)频率发现一个相对强度较大的自动峰，进一步证明该处对应的吸收峰对温度变化比较敏感。

在1 400～1 350 cm-1频率开展了熔喷布的异步 2D-MIR 光谱研究(见图 5)，在(1 374 cm-1，1 378 cm-1)频率发现了一个相对强度较大的交叉峰，相关光谱数据见表3。

图4 熔喷布δsCH3-熔喷布-二维同步2D-MIR 光谱(1 400～1 350 cm-1)Fig.4 Synchronous 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D(1 400～1 350 cm-1)

图5 熔喷布δsCH3-熔喷布-二维异步2D-MIR 光谱(1 400～1 350 cm-1)Fig.5 Asynchronous 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D(1 400～1 350 cm-1)

表3 熔喷布δsCH3-熔喷布-二维2D-MIR 光谱数据及解释Tab.3 Data and Interpretations of 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D

根据表3的数据和NODA原则[10]，熔喷布δsCH3-熔喷布-二维对应的吸收频率包括1 378 cm-1(δsCH3-1-熔喷布-二维)和1 374 cm-1(δsCH3-2-熔喷布-二维)。随着测定温度的升高，熔喷布δsCH3-熔喷布-二维吸收峰变化的快慢顺序为1 378 cm-1(δsCH3-1-熔喷布-二维)、1 374 cm-1(δsCH3-2-熔喷布-二维)。在 303～393 K，熔喷布的微观物理结构(晶体结构)会发生一定的改变，进而影响口罩的防护性能。

2.3.2口罩松紧绳

图6 松紧绳同步2D-MIR 光谱(1 750～1 700 cm-1)Fig.6 Synchronous 2D-MIR spectrum of elastic rope νC=O-elastic rope-2D(1 750～1 700 cm-1)

图7 松紧绳异步2D-MIR 光谱(1 750～1 700 cm-1)Fig.7 Asynchronous 2D-MIR spectrum of elastic rope νC=O-elastic rope-2D(1 750～1 700 cm-1)

在1 750～1 700 cm-1频率开展了松紧绳的异步 2D-MIR 光谱研究(见图 7)，在(1 708 cm-1，1 715 cm-1)和(1 715 cm-1，1 730 cm-1)频率发现2个相对强度较大的交叉峰，相关光谱数据见表 4。

表4 松紧绳光谱数据及解释Tab.4 Interpretations of 2D-MIR spectrum of elastic rope

3 结语

口罩熔喷布(包括白色内侧和蓝色外侧)和鼻梁条的化学结构为 PP，而松紧绳的化学结构为 PET。在 303～393 K，口罩熔喷布(白色内侧)和松紧绳主要官能团对应的吸收频率和强度都有一定的改变；进一步研究了其热变机制，拓展了三级 MIR 光谱在口罩材料的结构及热稳定性研究方面的应用范围，具有重要价值。