（原）材料视角 | 新冠肺炎何以牵动人心（口罩篇）
初原载于 工大材料汇 2020-03-27
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材料视角新冠肺炎系列科普
新冠肺炎
何以牵动人心
口罩篇
病毒肆虐时，在短期内迅速提升免疫力很难，我们普通人，应该怎么办？三句话：
加强防护 好好睡觉 平和心态
在前几期的推送中，相信大家已经充分了解了此次疫情的主导——病毒。自2019年底，人们与新型冠状病毒的博弈便悄然拉开了帷幕。经过近三个月全国上下的不懈努力，中国疫情逐步得到控制，但是国外的情况却渐渐变得不容乐观。这场肺炎疫情，无疑牵动着世界所有人的心。而与此同时，“口罩”这个小东西作为疫情防控的重要一环，成为了现如今每个人的必需品。那么你对于口罩，知多少呢？
勤洗手▪戴口罩
一切还要从口罩的历史说起。口罩的诞生，最初并非为了不让进来，而是为了不让出去。此话怎讲？早在公元前6世纪就已出现了“类口罩物”，那时崇尚拜火教的古波斯人认为人的气息不洁，进行宗教仪式的时候要用布遮住脸。而这一幕也被刻在波斯教古墓墓门上的浮雕上。事实证明，古人一定程度上还是很有先见之明的。1895年，德国病理学专家莱德奇猜测外科手术失败的原因之一为医护人员讲话时“不洁”唾液导致了患者的伤口感染。在他的建议下，医护人员戴上了一种用纱布制作能掩住口鼻的罩具，这一举动果然奏效，病人们的感染率大大降低，这也是口罩首次被用于医学领域。而口罩从“保护别人”到“保护自己”大显神威，还要说起20世纪初，西班牙爆发了可怕的流感传染病，“西班牙流感”席卷全球，造成约10亿人感染，4千多万人丧生。
随着疫情的发展，口罩走下了手术台，渐渐成为了人们的抗疫必需品。人们发现与口罩可以防止发射唾液到病人的伤口上一样，其也可以在源头阻断病毒从患者口中扩散，于是人们便发现了口罩的新用途——防病毒。此后，口罩便成为了预防、拦截病毒必不可少的功臣。
发展至今日，口罩家族也慢慢壮大起来。现如今市面上的口罩可分为5类：医用口罩、面纱口罩、无纺布口罩、日常防护型口罩以及工业防尘口罩。其中医用领域这个老本行依旧是口罩最大的用武之地，你又是否思考过它那轻薄的身躯又是怎样发挥隔绝细菌病毒作用的呢？
勤洗手▪戴口罩
首先，让我们来看看医用口罩的工作原理。医用口罩大部分为自吸式过滤口罩，工作原理即将含有有害物的空气通过口罩的滤料过滤后再被人们吸入或者呼出。而口罩滤料的过滤机理主要分为以下几种（滤料纤维过滤机制如下图所示）：
① 扩散沉积：粒子布朗运动扩散位移到过滤纤维，受分子引力作用而被吸附，从而被困在过滤层复杂结构当中。最易捕捉小尺度粒子、细纤维和低速运动的粒子。
② 截留沉积：随气流运动的较大粒子被过滤材料的机械筛滤作用截留。粒子直径与滤膜纤维的直径的比率影响拦截效率。
③ 惯性沉积：粒子通过过滤材料弯曲的网状通道时，粒子由于惯性作用脱离气流撞击过滤纤维，并受分子引力作用被截留。大粒子、高密度、速度快时截留效果好。
④ 静电吸引沉积：粒子被过滤纤维的静电作用产生的沉积。绝大多数党的气溶胶都会拜倒在静电的强大的“吸力”之下。
如图所示，我们可以发现颗粒较小时1，4沉积效应较强，颗粒较大时，2，3效果较好，所以并不像我们自以为的越小的颗粒越难被过滤。若是综合4种过滤机制的协同作用，普通机械性滤料最易穿透粒径的范围则是0.1μm-0.3μm（而医用口罩过滤效率测试物的粒子直径通常也是这个范围）。
接下来，让我们从原料和结构的角度进一步探索医用口罩。
通常，医用口罩的主要原料是聚丙烯（PP）所制造的无纺布，如图所示，一般由至少三层无纺布制成，呈现为纺粘无纺布-熔喷无纺布-纺粘无纺布的汉堡式结构，而这种结构一般简称为SMS。目前国内最高的层数为5层，即SMMMS巨无霸式结构。经过一定处理后，身为口罩的每一层，它们各司其职：
① 外层：一般经过防水处理，可以阻断飞沫。你可以试着拿个口罩往上倒些许水，亲自试验一下（不过关键时期不要浪费新口罩哦！）
② 内层：也叫吸湿层，可以比较好的吸收我们呼出的水蒸气。
③ 中间层：材质为熔喷无纺布，是阻隔病毒发挥过滤作用头号选手，也是口罩的核心。医用防护口罩（N95）之所以防护效果好，很大一个原因即他们有更加厚实的滤料。
熔喷无纺布的主要原料聚丙烯，是一种超细静电纤维布。其可以通过静电吸引的方式将粉尘以及含有病毒的气溶胶锁在有着茂密枝干的纤维森林中，一旦被超细静电纤维捕捉成功，便极不易因清洗而脱离，用水或者酒精洗反而会破坏静电的除尘能力（这也是为什么口罩为一次性，不能清洗的原因）。除此之外，因其单位面积纤维和表面积较高，从而具有良好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。同时，聚丙烯熔喷材料纤维非常细，要比头发丝细十几倍，平均只有两个微米左右，不耐高温，温度大于80℃时就会收缩变形，结构破坏。
除此之外，随着科学的不断进步，口罩材料中的新星也不断涌现：
看到这里，相信大家已经对医用口罩有了基本的了解。小编还曾记得疫情之初，社会各大爱心机构纷纷献爱心，向武汉捐赠口罩。
勤洗手▪戴口罩
1 医用防护口罩（N95型口罩）
N95型口罩是NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所）认证的9种颗粒物防护口罩中的一种。“N”表示不耐油（Not resistant to oil）。
“95”表示暴露在规定数量的专用试验粒子下，口罩内的粒子浓度要比口罩外粒子浓度低95%以上。其中95%这一数值不是平均值，而是最小值。防护等级为N95级表示在NIOSH标准规定的检测条件下，口罩滤料对非油性颗粒物（如粉尘、酸雾、漆雾、微生物等）的过滤效率达到95%。（这种级别的防护性能适用于密切接触疑似或高危病毒感染患者的临床医生，而我们普通百姓用起来则不必过分强求。要把资源留给更需要它们的人呀！）
注意：N95不是特定的产品名称，只要符合N95标准，并且通过NIOSH审查的产品就可以称为“N95型口罩”。
N95型口罩的特点在于既能预防呼吸道感染，又可以防霾。具体的内容可以参见“工大材料汇”前期推送《战胜疫情，我们该怎么做？》。
为什么它的能力这么大呢？让我们结合上述口罩机理及结构，一同来分析分析。
上图所示的是符合国标KN95（与美标N95属于同一级别的标准）的某款在售口罩的结构示意：由外至内的“四层防护”分别是丙纶无纺布、静电滤棉、喷熔布、亲肤无纺布。
显而易见的，最外层的丙纶无纺布是一道“物理防护”，归功于丙纶（聚丙烯纤维）出色的物理性能：丙纶的吸湿性很小，几乎不吸湿，一般大气条件下的回潮率接近于零。但它有芯吸作用，能通过织物中的毛细管传递水蒸气，但本身不起任何吸收作用。这样，佩戴的时候就能在达到外层面料防水的同时，实现呼吸的相对顺畅。
即便病毒或其他的污染物能通过第一套防线，还有静电滤棉等着它们。通过静电感应，使得不带静电的微粒被吸附停留至此。防霾的主要功效也是在此发挥的。
熔喷布作为口罩的大心脏，我们在前面已经多多地夸赞过它了。大家还记得这位三好学生吗？
最内一层的无纺布主要是为了让佩戴更加舒适，对防护不应产生明显作用。
于是，经过一层又一层类似“过筛子”一样的三层过滤之后，这样的口罩就达到了很好的防护效果。
2 医用外科口罩
这种口罩是医院中很常见的口罩，为医护人员工作时所佩戴的口罩。主要用于医疗门诊、实验室、手术室等高要求的医疗环境，安全系数相对较高，对于细菌、病毒的抵抗能力以及防液体喷溅能力较强。其对空气中大于5μm颗粒，过滤效果≥90％，可用于预防流感、呼吸系统疾病的传播（对于不会密切接触疑似新型冠状病毒感染患者的普通人来说，外科口罩就能够满足日常需求啦！）。
医用外科口罩的结构相对简单，仅为三层，对应于上文所提到的SMS结构。
3 医用普通口罩
又被称为护理口罩，或是直接称为医用口罩。这类口罩对液体飞溅阻隔作用较小，密合性也不好，而且非油性颗粒过滤效率也没有达到国标的KN90标准。因此这种普通的医用口罩难以满足在公共场所对于病毒预防的需求。
不过（敲黑板）！这种普通口罩还是有它的用武之地的！随着春天的到来，万物复苏、百花齐放，生机勃勃。随着大自然的美好一点点在人们面前绽放的同时也带来了一些烦恼——花粉随之而来，杨絮柳絮漫天飞舞。每年这个时候对于过敏人士而言也是一场极大的考验，但是有了这种医用普通口罩！我们就松一口气，高枕无忧了。医用普通口罩虽然对于病毒防范不足，不过对于大颗粒的东西却是绰绰有余。
最后，给大家分享一些关于使用口罩的小贴士（大家仔细思考为什么要或者不要呢？tips：答案就在文章中哦）！
① 不能用酒精清洗口罩或者高温蒸煮进行消毒
② 不能将口罩反戴
③ 戴口罩要注意将鼻夹完全贴合
④ 摘口罩时注意不要触碰到口罩外侧
⑤ 在空旷的地方没必要戴上口罩
遏制疫情，从自身做起！坚持就是胜利，希望的曙光已经在向我们招手。大家在家要记得每天打卡报平安哦！
本期问题：
Q1：口罩的工作机理有几种？分别是？
扩散沉积、截留沉积、惯性沉积、静电吸引沉积
Q2：你还知道哪些应用到SMS结构的物品吗？
精选留言：
空气净化器
——Вперед, товарищи
参考文献：
[1]《医用口罩产品注册技术审查指导原则》
[2] 杨杰. 口罩的历史[J]. 世界环境, 2019(4):8-8.
[3] 唐舟，王成学，胡丽君.各类型口罩在疫情防控期间的临床应用场景[N].中国医药报,2020年，第002版
[4]陈士新.医用口罩的特点与应用[J]. 护理实践与研究，2010年，第 7卷第 19期 (上半月版 )
[6] 《怎样自制高效的医用外科/防护口罩》-知乎
[5] 《什么是N95口罩？什么是医用防护口罩和医用外科口罩？中国一天口罩产能是多少？》-知乎
[7]《酒精会影响口罩的效果吗》-知乎
图片来源于网络
本文图文提供：材料学院科普部
本文图文整理：刘孟茜
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