大学化学, 2020, 35(12): 94-100 doi: 10.3866/PKU.DXHX202008091

专题

日常使用方式对一次性医用口罩微观结构和过滤效率的影响

孙立森,1, 刘莎莎1, 张晋芬1, 王琳2, 刘永梅1

Effect of Daily Use on Microstructure and Filtration Efficiency of Disposable Medical Face Masks

Sun Lisen,1, Liu Shasha1, Zhang Jinfen1, Wang Lin2, Liu Yongmei1

通讯作者: 孙立森, Email: lssun@fudan.edu.cn

收稿日期: 2020-08-31   接受日期: 2020-10-15  

Received: 2020-08-31   Accepted: 2020-10-15  

摘要

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的出现及蔓延使得口罩成为人们工作、生活的常用防护用品。本文介绍了常用一次性医用口罩的防护机理,并考查口罩在使用和消毒后微观结构和过滤效率的变化,有助于提升人们对口罩防护作用的正确认识。

关键词: 口罩 ; 熔喷布 ; 颗粒物 ; 过滤效率

Abstract

The global spread of Corona Virus Disease 2019 (COVID-19) makes face masks become common protective equipment for daily life. This paper introduces the protection mechanism of disposable medical face masks, and investigates the changes of microstructure and filtration efficiency of disposable medical face masks after use and disinfection. It is helpful to get more understanding about protective effect of face masks.

Keywords: Face mask ; Meltblown fabric ; Particulate matter ; Filtration efficiency

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孙立森, 刘莎莎, 张晋芬, 王琳, 刘永梅. 日常使用方式对一次性医用口罩微观结构和过滤效率的影响. 大学化学[J], 2020, 35(12): 94-100 doi:10.3866/PKU.DXHX202008091

Sun Lisen. Effect of Daily Use on Microstructure and Filtration Efficiency of Disposable Medical Face Masks. University Chemistry[J], 2020, 35(12): 94-100 doi:10.3866/PKU.DXHX202008091

随着新冠病毒肺炎(COVID-19)的全球性蔓延,口罩几乎成为日常生活的必需品,尤其在公众场所或人流密集区域。一次性医用口罩由于具有质地轻盈、使用方便舒适、价格低、防护性能适中的特点,成为各国政府广泛推广使用的个人防护用品。人们在使用口罩时对其防护作用及持久性等存在疑惑,本文介绍了口罩的防护机理,探索了常见使用方式和75%酒精消毒对一次性医用口罩的微观结构和过滤效率的影响,对如何正确使用口罩具有实际参考价值。

1 口罩的基本结构和防护机理

一次性医用口罩由两部分构成:过滤材料和佩戴设施(包括耳带、鼻梁条等)。口罩过滤层一般为三层非织造布,特殊口罩增加其他过滤层。从内到外分别为纺粘层、熔喷层、纺粘层,又称SMS结构,如图1所示。口罩内层为纺粘非织造布,贴合皮肤使佩戴舒适,具有吸湿作用;中间层是熔喷聚丙烯非织造布,是核心部件,起主要的过滤防护作用;外层为纺粘非织造布,有阻水作用,可防止飞沫以及过滤较大颗粒[1]

图1

图1   口罩过滤层结构


纺粘非织造布是将聚合物在其熔点以上温度条件下从喷丝板细孔挤出,冷却细化成丝状固体,同时经过分丝铺网和加固的工艺过程而制得的一类非织造布[2]。纺粘非织造布较熔喷非织造布强度高,但纤维直径大,形成的孔径较大,不适合单独用作过滤材料,一般将其和熔喷非织造布结合起来使用。

熔喷非织造布是利用高速热空气对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行拉伸,形成超细纤维并凝聚在凝网帘或滚筒上,并依靠自身粘合而形成的[3]。以聚丙烯为原料熔喷后生成独特的超细纤维(约1–10 μm),纤维在空间靠自身粘合和缠结形成的三维曲径结构与传统织物和梳理成网非织造物中的纤维分布截然不同,它具有更大的比表面积,更高的孔隙率,微孔结构曲折,对固体颗粒具有较强的吸附作用;加上聚丙烯无毒、质地轻、柔韧性好、耐腐蚀、价格低廉等特点,十分适合制作过滤材料。

通过对熔喷非织造布驻极化处理使熔喷非织造布形成驻极体,可以在不增加流阻的前提下大大提高过滤效率[4]。驻极体是指那些能够长期储存电荷的电介质材料。在驻极体熔喷布中存在高达几百至上千伏电压的静电场,材料的孔隙类似于无数个无源集尘电极[5]。当气流中的带电微粒尤其是亚微米级粒子通过这些孔隙时,在电场力的作用下被阻挡或捕获。气流中的中性微粒因感应或极化而产生诱导偶极矩,也可有效地被捕获。

熔喷非织造布由于纤维超细、比表面积大、孔隙率高、空气阻力小,因而具有高效的深层过滤性能,如图2所示。其过滤机理有以下几种[6, 7]

图2

图2   口罩过滤机理


1)重力沉降效应:大颗粒物质在气流中受重力影响沉降到过滤材料上,从气流中分离。

2)惯性撞击效应:当气流绕过阻挡在气流前方的滤材纤维时,较高质量的颗粒物受惯性影响无法及时跟随气流,会偏离气流方向,撞到滤材纤维上被过滤下来。

3)拦截效应:颗粒物质量较小,可以完全沿着气流方向运动,只有当颗粒的半径大于气流与滤料纤维之间的距离时,纤维直接捕获颗粒物,大粒径的粒子主要靠拦截效应实现过滤功能,滤料内部纤维的直径及分布密度与大颗粒粒子的过滤效率成正比。

4)扩散效应:受空气分子热运动影响,极其微小的颗粒受到空气分子的撞击,不断改变运动方向,呈现布朗运动,随机性地接触到滤材纤维被过滤下来。

5)静电效应:如果滤料纤维带有静电,无论气流中的颗粒物本身是否带电,当它们靠近滤材纤维时就容易受静电吸引而被过滤。静电作用可以在不增加气流阻力的前提下提高过滤效率。

上述五种作用中,惯性撞击和拦截作用对大颗粒物影响大,随着颗粒物粒径减小这种作用降低;而小颗粒物更容易受扩散作用和静电作用的影响,颗粒物粒径越大,扩散作用和静电作用则逐渐降低。由于在过滤过程中粒子粒径往往分布较宽,成份复杂,因此熔喷非织造布往往是通过以上几种机理协同发挥过滤作用。

2 日常使用方式对口罩结构的影响

2.1 实验样品与处理

实验样品为河南省某厂生产一次性医用口罩,模仿口罩在日常使用中的常见场景,分别按以下方法进行处理:

(a)新口罩,裁剪后取中央部位熔喷布;

(b)使用一天(8 h)的口罩,裁剪后取中央部位熔喷布;

(c)新口罩用75%酒精浸泡10 min,取出室温晾干,裁剪后取中央部位熔喷布;

(d)新口罩用去离子水浸泡10 min,取出室温晾干,裁剪后取中央部位熔喷布;

(e)新口罩沿中间十字折叠100次,裁剪后取十字交叉点熔喷布;

(f)新口罩成团后揉搓100周,裁剪后取揉搓中央部位熔喷布。

2.2 口罩的微观结构

实验中以Phenom XL台式扫描电镜观察口罩的微观结构。

图3为分别放大400倍的纺粘层和熔喷层表面结构,其中纺粘层纤维较粗,直径约为25 μm,纤维间排布稀疏,空隙大(图3a);熔喷层纤维更细,大部分直径分布在1–10 μm,纤维分布紧密,微孔结构丰富,孔隙率高(图3b)。

图3

图3   纺粘层和熔喷层的微观结构

(a)纺粘层;(b)熔喷层


图4为使用前、后的口罩熔喷布的微观结构,分别放大1000倍。其中使用前(图4a)熔喷纤维表面光滑、洁净,使用一天(8 h)后(图4b)的口罩纤维表面粗糙,吸附有大量形状各异、粒径大小不一的颗粒,有的镶嵌在纤维之间的孔隙中,有的吸附在纤维表面,是多种过滤机理共同作用的结果。

图4

图4   使用前后口罩的微观结构

(a)新口罩;(b)使用一天(8 h)的口罩


图5所示,口罩在经多次折叠后,熔喷层表面纤维不再平整并有所松散(图5a),横截面观察到滤材脱离分层,中间出现空洞(图5b);揉搓后表面纤维呈螺旋扭曲状态,滤材结构变得松散(图5c),熔喷层相对新口罩200 μm厚度(图5f)增加3–4倍,达到约900 μm (图5d)。折叠或揉搓后,纤维表面和缝隙都吸附有大量颗粒物。口罩经75%酒精消毒后,表面结构未见显著变化,也未发现吸附明显颗粒物(图5e)。口罩在水湿后与酒精消毒类似,表面结构无显著变化,未发现吸附明显颗粒物。

图5

图5   折叠、揉搓、消毒后口罩的微观结构

(a)折叠后表面; (b)折叠后横截面; (c)揉搓后表面; (d)揉搓后横截面; (e) 75%酒精消毒; (f)新口罩横截面


3 日常使用方式对口罩过滤效率的影响

3.1 实验样品与处理

实验样品同2.1小节,其中(e)样品测试十字折叠点为中心的周围部位过滤效率,其他样品测试口罩中央部位。

3.2 过滤效率测量方法

成年人在平静状态下的呼吸频率为12–18次/min,潮气量为500 mL,通气量为6–9 L∙min-1。中等体力劳动强度下人的平均通气量在30 L∙min-1左右,当人们处于激烈运动时可达80–150 L∙min-1或更高[8, 9]。实验中口罩测试面积为12.6 cm2,测试总流量为2.8 L∙min-1,通气量为46.2 L∙min-1。每个样品测试5次,取后3次平均值。测试地点为复旦大学江湾校区某实验室内,气体源为室内空气。测试仪器为美国TSI公司SMPS 3080 (Scanning Mobility Particle Size Spectrometer,扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪),测量颗粒物粒径14–662 nm,共64个通道。其中微分迁移率分析仪型号为DMA 3081 (Differential Mobility Analyzers),凝结核计数器型号为CPC 3776 (Condensation Particle Counters)。过滤效率测量装置如图6所示。

图6

图6   过滤效率测量装置示意图


3.3 过滤效率

在大气气溶胶的研究中一般按照气溶胶颗粒的粒径大小对气溶胶粒子进行物理分类,由于大于10 μm的颗粒物在大气中的数目少、停留时间短,所以通常研究粒径小于等于10 μm的气溶胶粒子,称为可吸入颗粒物。1–10 μm粒径颗粒物主要来源于机械过程所造成的扬尘、海盐溅沫、火山灰和风沙等气溶胶粒子,主要靠沉降和雨水冲刷去除,在大气中存在时间较短。本实验测量气溶胶研究中经常采用的14–662 nm区间颗粒物在口罩中的过滤效率。

图7为新口罩过滤前后空气中颗粒物数浓度分布,图中可以看出空气中颗粒物浓度较高的颗粒直径主要分布在80–100 nm。实验数据表明,经口罩过滤后空气中颗粒物数浓度从4320 cm-3降至376 cm-3,其中91.3%的颗粒物被口罩滤除。

图7

图7   口罩过滤前、后空气中颗粒物的分布


通过表1可以看出,口罩在使用8 h后过滤效率比新口罩下降4.93%;酒精消毒对口罩过滤性能影响较大,下降了10%以上;折叠比揉搓对口罩的过滤性能影响更大一些,在实际使用中,因折叠和揉搓后口罩贴合面部气密性的变化,其过滤性能可能有更大的损失。

表1   口罩过滤效率

样品过滤效率/%过滤效率下降/%
新口罩91.3
使用8 h86.84.93
75%酒精消毒8210.19
水湿883.61
折叠87.73.94
揉搓88.92.63

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将空气中的颗粒物按粒径分为三个区间,依次为14–50 nm,50–100 nm,100–662 nm。分别计算其过滤效率变化,如表2。除酒精消毒外,其他口罩对100 nm以上颗粒物过滤效率下降幅度较小,影响最明显的是50–100 nm颗粒物。

表2   不同粒径颗粒物的过滤效率

样品14–50 nm过滤效率/%50–100 nm过滤效率/%100–662 nm过滤效率/%
新口罩91.788.593.8
使用8 h85.485.289.6
75%酒精消毒87.477.682.4
水湿8883.692.4
折叠88.184.590.6
揉搓89.485.891.8

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表3中数据可知,使用一天后的口罩过滤14–50 nm颗粒物性能下降更为明显,其次是100 nm以上颗粒物,这可能是口罩在使用过程中驻极静电损失较为严重,静电效应减弱的结果;75%酒精消毒对口罩过滤性能影响显著,尤其是50–662 nm颗粒物,达到了12%以上;水湿后的口罩对14–100 nm颗粒物过滤效率下降较为明显;折叠对50–100 nm颗粒物影响较大;而揉搓后三个粒径区间下降幅度相近。

表3   相对新口罩过滤效率下降

样品14–50 nm过滤效率下降/%50–100 nm过滤效率下降/%100–662 nm过滤效率下降/%
使用8 h6.873.734.48
75%酒精消毒4.6912.3212.15
水湿4.035.541.49
折叠3.934.523.41
揉搓2.513.052.13

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4 结语

正确佩戴一次性医用口罩可以有效阻挡液滴、飞沫及颗粒物等物质,防止或减少病毒及传染物的传播。口罩的过滤作用是多种机理共同作用的结果,惯性撞击和拦截作用对大颗粒物作用更大,扩散作用和静电作用更容易吸附小颗粒物。折叠和揉搓以及水湿都会降低口罩的过滤效率,75%酒精消毒使得口罩过滤效率下降显著,超过10%。一次性医用口罩在佩戴一天后过滤效率下降近5%,其中14–50 nm颗粒过滤效率下降更明显;随着使用时间的延长口罩被污染的风险亦会变高,应及时予以更换。口罩在不使用时应存放在洁净的环境中,减少折叠或揉搓并保持干燥有利于保持口罩的防护作用。无新冠病毒感染风险的普通人使用后的口罩可按照生活垃圾分类后处理;疑似病人及其护理者使用过的口罩应按照医疗废弃物收集、处理。

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