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制造口罩的原材料--无纺布

2020/7/24 9:50:46      点击:

不同的类型的口罩所对应的用途背后有哪些材料科学方面的原因呢?更进一步扩展到个人防护用品(PPE),其背后又涉及哪些特殊的高分子材料和制造工艺呢?

口罩无纺布

口罩是什么材料制作的?

不同的口罩为什么有如此大的区别呢?小编在写稿的时候顺手剪开了一个实验室常用的四层活性炭口罩打算一探究竟,它的内部是这样的:

我们可以看到,这个口罩分为四层,最外面的两层是两块质地像布一样的材料,黑色的是活性碳层,另外还有一层比较致密的,质地有点像餐巾纸的材料。小编查阅了一些资料后了解到,除了中间的活性炭层,另外三层都是一种叫做无纺布的材料。无纺布(英文名:Non Woven Fabric 或者 Nonwoven cloth)又称不织布,是由定向的或随机的纤维而构成。因具有布的外观和某些性能而称其为布。

无纺布的制造工艺有很多种,包括纺粘法、熔喷法、热轧法、水刺法等。可以使用的原料纤维主要是丙纶(PP)、涤纶(PET)。此外,还有锦纶(PA)、粘胶纤维、腈纶、乙纶(HDPE)、氯纶(PVC)等。

现市面上大部分都是用纺粘法生产的无纺布,这种方法通过将聚合物挤出、拉伸,形成连续长丝后,长丝铺设成网,纤网再经过自身粘合、热粘合、化学粘合或机械加固方法,使纤网变成无纺布。纺粘无纺布的辨认比较容易,一般纺粘的无纺布的轧点是菱形的。

另外一种常见的无纺布制造工艺叫针刺无纺布,其制造原理是利用三角截面(或其它截面)棱边带倒钩的刺针对纤网进行反复穿刺。倒钩穿过纤网时,将纤网表面和局部里层纤维强迫刺入纤网内部。由于纤维之间的摩擦作用,原来蓬松的纤网被压缩。刺针退出纤网时,刺入的纤维束脱离倒钩而留在纤网中,这样,许多纤维束纠缠住纤网使其不能再恢复原来的蓬松状态。经过许多次的针刺,相当多的纤维束被刺入纤网,使纤网中纤维互相缠结,从而形成具有一定强力和厚度的针刺法非织造材料。

但是上述两种无纺布的孔隙显然太大,对于医用来说,想要隔绝100nm左右的病毒显然是起不到什么作用的。

所以,一般的外科口罩的中间夹层使用的是熔喷法制造的无纺布。熔喷无纺布的制作首先是将聚合物母粒(一般是聚丙烯)放入挤出机,并在挤出机内熔融,温度在240℃左右(针对PP)。熔体通过计量泵,到达熔喷模头。在刚刚形成的聚合物挤出喷丝头时,压缩空气的头端作用于聚合物,以高于声速(550m/s)的气流将热长丝牵伸至直径1~10μm,根据其物理特性这种网被称为微纤网。这些具有独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积,从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、口罩材料等领域。

医用口罩的过滤机制是布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降和静电吸附。前四种都是物理因素,就是熔喷法生产的无纺布自然具有的特性,过滤性约为35%;这是达不到医用口罩要求的,我们需要对材料进行驻极处理,让纤维带上电荷,用静电捕获新冠病毒所在的气溶胶。

静电吸附就是通过荷电纤维的库仑力实现对新冠病毒飞沫(气溶胶)的捕获。原理就是让过滤材料表面更开阔,对微粒的捕获能力能强,而电荷密度增加,对颗粒的吸附和极化效应更强,所以,过滤层的熔喷无纺布过滤材料,必须要经过驻极处理,才能在不改变呼吸阻力的前提下,实现95%的过滤性,才能有效防病毒。

经过一番研究之后,小编大致了解了自己手中这个口罩的构成:外层采用的是PP材质的针刺无纺布,中间夹层为一层活性碳层和一层PP熔喷布层。

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