防病毒口罩的生產(chǎn)工藝及材料要求,口罩是否可以重復(fù)使用

經(jīng)確認(rèn)以及實(shí)踐證明，口罩是防護(hù)以及有效抗擊新冠肺炎的手段。因而，2020年，口罩也成為了新的戰(zhàn)略物資以及人們生活的必需品之一。口罩隨著中國(guó)新冠肺炎疫情的緩和，口罩需求有所緩解，口罩的供需矛盾得以初步解決。在疫情嚴(yán)重期間，口罩嚴(yán)重供應(yīng)不足從而迅速擴(kuò)大產(chǎn)能，雖然絕大多數(shù)的生產(chǎn)廠家均能夠質(zhì)量。但是，在防護(hù)方面口罩的工藝質(zhì)量要求以及如何提升口罩的防護(hù)性能，在疫情期間出現(xiàn)的如何提升口罩的使用效率，解決重復(fù)使用的問(wèn)題等等問(wèn)題仍然是一個(gè)沒(méi)有得到根本解決。

從口罩的分類來(lái)看，目前主要分為KN95以及類似級(jí)別口罩（含電動(dòng)口罩機(jī)）、醫(yī)用一次性口罩、PM2.5防霧霾口罩、保暖口罩、一次性普通口罩、口罩濾芯等。其中，醫(yī)用一次性口罩以及KN95級(jí)別口罩是目前確認(rèn)可以用于有效防疫新冠肺炎的傳染。從口罩的生產(chǎn)工藝來(lái)看，醫(yī)用口罩分為三層，中間為過(guò)濾層，可以起到過(guò)濾細(xì)菌或者病毒的作用，避免致病微生物侵入人體導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。醫(yī)用口罩分為醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用N95型口罩兩種，醫(yī)用外科口罩可以過(guò)濾空氣中30%左右的細(xì)菌或者病毒，避免其侵入人體，醫(yī)用外科口罩適合于普通的大眾群眾，而對(duì)于在醫(yī)院以及防疫等部門工作的人群來(lái)說(shuō)，建議佩戴使用醫(yī)用N95型口罩，可以過(guò)濾空氣中95%以上的細(xì)菌或者病毒，避免侵入人體的呼吸系統(tǒng)，而普通口罩沒(méi)有過(guò)濾的作用，只起到預(yù)防、保暖的作用。

而歐洲以及3M公司的KN口罩通常提供5層，包括了外層無(wú)紡布層、兩層熔噴布層（超細(xì)聚丙烯纖維熔噴材料層）、活性碳層以及內(nèi)層內(nèi)層為親膚材質(zhì)（普通衛(wèi)生紗布或無(wú)紡布）。

而普通的KN95口罩通常僅有四層，包括內(nèi)外無(wú)紡布層以及中間兩層熔噴布層。

小米的智米口罩則提供了5層，如下圖所示：其外層采用了聚氨脂海棉材料、中間兩層熔噴布層以及兩側(cè)各一層初效過(guò)濾層。

經(jīng)實(shí)踐證明以及確認(rèn)，醫(yī)用一次性口罩以及KN95級(jí)別的口罩對(duì)于新冠肺炎具有有效的防護(hù)作用。而其中為關(guān)鍵的在于這兩種口罩中間的熔噴布（超細(xì)聚丙烯纖維熔噴材料層）層。 2月6日，飛納電鏡發(fā)布了《一次性口罩能否消毒后重復(fù)使用？——掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布》（https://mp.weixin.qq.com/s/ALX9kvR818bvXj7Nwu3ocg），得到的結(jié)論是：“即便對(duì)于細(xì)到 0.5 微米的纖維（比頭發(fā)絲細(xì) 150 倍），也沒(méi)有想象中那么脆弱。與對(duì)照組比，酒精浸泡，蒸，煮后，纖維的原始微觀結(jié)構(gòu)都保持完好，纖維直徑分布，膨松性等并未發(fā)生改變，未發(fā)現(xiàn)纖維斷裂，腐蝕。”同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)“經(jīng)過(guò)三次 75% 酒精噴霧消毒后，口罩依然具有靜電吸附能力”。

為了進(jìn)一步揭示口罩特別是防病毒口罩的生產(chǎn)工藝要求、材料性能要求以及如何提升口罩的防護(hù)性能、如何提高口罩的使用壽命，本文將從界面化學(xué)以及接觸角分析測(cè)量技術(shù)方面進(jìn)一步進(jìn)行論證。

一、材料準(zhǔn)備：

1、口罩準(zhǔn)備：

我們準(zhǔn)備了電動(dòng)口罩（原森態(tài)公司）、3M保暖口罩、小米智米口罩、3M公司R95口罩、歐洲Willson公司FFP1、上海港凱凈化制品有限公司KN95口罩、一次性醫(yī)用口罩等各1個(gè)。

2、蒸餾水、75%醫(yī)用酒精及酒精棉、84消毒水并按1：10配比配制消毒液。

3、測(cè)試設(shè)備：

接觸角測(cè)量?jī)x（美國(guó)科諾工業(yè)有限公司KINO，SL200KS型）、海爾微波爐、小米紫光UV消毒機(jī)。

二、測(cè)試方法：

1、采用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試外層材料的接觸角值，包括棉布（保暖口罩）、無(wú)紡布（醫(yī)用口罩以及KN95口罩）、聚氨脂海棉材料的接觸角值。

2、將KN95口罩、醫(yī)用一次性口罩用剪刀切下部分，并取出中間熱熔布部分。將熱熔布分成7組進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，包括不作處理的① 作為對(duì)照組，不做任何處理，② 75% 酒精浸泡 1 小時(shí)，③ 酒精棉擦洗，④沸水煮 10 分鐘，⑤ 蒸汽蒸 7 分鐘，⑥微波爐小火2分鐘，⑦84消毒處理。酒精浸泡、酒精擦洗、沸水煮以及蒸汽蒸、84消毒處理后均采用吹風(fēng)機(jī)吹10分鐘烘干處理。

3、接觸角測(cè)試的方法：

（1）接觸角測(cè)量?jī)x吸入蒸餾水并采用阿莎算法（ADSA-RealDrop）測(cè)試蒸餾水的表面張力值。若表面張力值不符合文獻(xiàn)值（20℃ 72.75mN/m，誤差±0.5mN/m），則進(jìn)行針頭、進(jìn)液器的清洗，直到測(cè)值結(jié)果符合文獻(xiàn)值。通過(guò)本測(cè)試流程，確保測(cè)值結(jié)果的重復(fù)性以及可對(duì)比性。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表面張力值為18℃ ，73.1mN/m）

（2）將測(cè)試材料采用夾具夾持水平度后，采用激光水準(zhǔn)儀，調(diào)整樣品的上表面水平度后，進(jìn)行接觸角測(cè)量。

（3）接觸角測(cè)量的測(cè)試方法為阿莎算法（ADSA-RealDrop），可以自動(dòng)修正重力影響以及將表面張力值參與運(yùn)算。阿莎算法可以有效避免人為誤差以及重力的影響。而其他的算法如橢圓擬合法以及TrueDrop法、圓擬合法由于其基于1980－90年代的量角器原理，沒(méi)有精度、科學(xué)性不強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)將不采用這些測(cè)試方法。

（3）對(duì)不同的外層材料進(jìn)行至少3個(gè)位置點(diǎn)的接觸角測(cè)量，并取平均值。

（4）對(duì)7組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的熱熔布分別進(jìn)行至少3個(gè)位置點(diǎn)的接觸角測(cè)量，并取平均值。

三、結(jié)論與討論：

 1、口罩外層不同材料的接觸角值對(duì)比結(jié)果如下表所示： 

從如上數(shù)據(jù)可以看出：

（1）3M保暖口罩棉布層以及其他經(jīng)過(guò)特殊處理的棉布層，通常采用了疏水劑處理，因而，其接觸角值通常較大。在一般情況下接觸角值均可以輕易達(dá)到近140度左右，超疏水處理后，接觸角值可以達(dá)到150度以上，具有的疏水疏油性，可以起到很好的防水、防油效果以及防塵效果。

（2）一次性醫(yī)用口罩的無(wú)紡布表面處理后，也具有一定的疏水效果。但是，這種疏水效果事實(shí)上是由于其本身的低表面自由能以及無(wú)紡布本身的絨毛狀結(jié)構(gòu)將小體積的測(cè)試蒸餾水托起，因而形成了假性疏水接觸角值。這種接觸角值無(wú)法經(jīng)受疲勞測(cè)試或長(zhǎng)時(shí)間，多次使用。使用后，極易導(dǎo)致接觸角值明顯下降。

（3）通常的無(wú)紡布以及濾芯材料其接觸角值通常為120－130度左右。這是未作特殊處理的無(wú)紡布的實(shí)際接觸角值，同時(shí)這個(gè)接觸角值也是由于無(wú)紡布本身的絨毛結(jié)構(gòu)托起水滴造成的假性弱疏水角特征。

（4）聚氨脂槔或未經(jīng)處理的棉布，由于其弱親水性，從而在實(shí)際應(yīng)用于防護(hù)時(shí)事實(shí)上效果較差。不建議使用。

綜上可以看出，作為外層材料，我們的建議方案為疏水材料處理過(guò)的棉制產(chǎn)品或纖維產(chǎn)品更為適合。而內(nèi)層貼近人的皮膚層，則建議采用無(wú)紡布層，以保護(hù)人的皮膚，同時(shí)也可讓人感覺(jué)較為舒適。

 （1）3M保暖口罩棉布層：

（2）一次性醫(yī)用口罩無(wú)紡布接觸角值

（3）Willson口罩無(wú)紡布

4、原森態(tài)濾芯外層

5、1次性口罩濾芯外層無(wú)紡布：

6、 小米智米聚氨脂泡沫棉

 2、熱熔布層（超細(xì)聚丙烯纖維熔噴材料層）的接觸角測(cè)量結(jié)果

7組對(duì)照組的接觸角測(cè)量結(jié)果如下表所示：

通過(guò)如上數(shù)據(jù)可以看出：

（1）酒精浸泡與酒精棉擦洗均不會(huì)對(duì)熔噴布造成明顯的影響，接觸角值沒(méi)有處理時(shí)均值為138.59度，而酒精浸泡后接觸角值為139.29度，酒精棉次擦洗時(shí)接觸角值為138.。這個(gè)同如上《一次性口罩能否消毒后重復(fù)使用？——掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布》中的結(jié)論是一致的。

（2）酒精棉多次擦洗會(huì)導(dǎo)致熔噴布的接觸角值變小，因而重復(fù)多次使用極可能導(dǎo)致熔噴布的壽命減短，同時(shí)防護(hù)效能會(huì)降低。

（3）沸水煮和蒸汽蒸均不會(huì)對(duì)接觸角值造成明顯變化，接觸角值仍大于136度。

（4）微波爐小火加熱處理會(huì)明顯提升熔噴布的接觸角值，因而，防護(hù)效能有明顯提升。

（5）84消毒液處理后的接觸角值出現(xiàn)明顯變小，水滴非常容易滲透到熔噴布里。因而，不能采用84消毒液進(jìn)行消毒處理。

綜合如上可以得到結(jié)論：

（1）酒精消毒處理和水蒸或煮均不影響熔噴布的接觸角值，也不影響口罩的防護(hù)效果。

（2）熔噴布的有效防護(hù)的接觸角值的臨界值建議為135－136度。低于135度接觸角值的熔噴布視為不合格產(chǎn)品。

（3）84消毒液不能有被使用消毒。

（4）微波爐加熱處理以及UV紫外消毒是的消毒方式，建議使用。

 (1)對(duì)照組，不做任何處理的熔噴布接觸角值圖譜

(2)75% 酒精浸泡 1 小時(shí)口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜

(3)酒精棉擦洗一次口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜

(4)沸水煮 10 分鐘口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜

(5)蒸汽蒸 7 分鐘口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜

(6)微波爐小火2分鐘口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜

(7)84消毒液處理后的口罩熔噴布的接觸角測(cè)量圖譜