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口罩及其熔噴布的接觸角測量:如何提高口罩的防護效果,延長口罩的使用壽命

2020-3-18 14:00:25

經專家確認以及實踐證明,口罩是防護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略物資以及人們生活的必需品之一??谡蛛S著中國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。在疫情嚴重期間,口罩嚴重供應不足從而迅速擴大產能,雖然絕大多數的生產廠家均能夠保證質量。但是,在防護方面口罩的工藝質量要求以及如何提升口罩的防護性能,在疫情期間出現的如何提升口罩的使用效率,解決重復使用的問題等等問題仍然是一個沒有得到根本解決。

從口罩的分類來看,目前主要分為KN95以及類似級別口罩(含電動口罩機)、醫用一次性口罩、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,醫用一次性口罩以及KN95級別口罩是目前確認可以用于有效防疫新冠肺炎的傳染。從口罩的生產工藝來看,醫用口罩分為三層,中間為過濾層,可以起到過濾細菌或者病毒的作用,避免致病微生物侵入人體導致呼吸系統疾病。醫用口罩分為醫用外科口罩和醫用N95型口罩兩種,醫用外科口罩可以過濾空氣中30%左右的細菌或者病毒,避免其侵入人體,醫用外科口罩適合于普通的大眾群眾,而對于在醫院以及防疫等部門工作的人群來說,建議佩戴使用醫用N95型口罩,可以過濾空氣中95%以上的細菌或者病毒,避免侵入人體的呼吸系統,而普通口罩沒有過濾的作用,只起到預防、保暖的作用。

口罩 接觸角測量

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

口罩 接觸角測量

口罩 接觸角測量

而普通的KN95口罩通常僅有四層,包括內外無紡布層以及中間兩層熔噴布層。

口罩 接觸角測量

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各一層初效過濾層。

口罩 接觸角測量

經實踐證明以及專家確認,醫用一次性口罩以及KN95級別的口罩對于新冠肺炎具有有效的防護作用。而其中最為關鍵的在于這兩種口罩中間的熔噴布(超細聚丙烯纖維熔噴材料層)層。 2月6日,飛納電鏡發布了《一次性口罩能否消毒后重復使用?——掃描電鏡的實驗結果公布》(https://mp.weixin.qq.com/s/ALX9kvR818bvXj7Nwu3ocg),得到的結論是:“即便對于細到 0.5 微米的纖維(比頭發絲細 150 倍),也沒有想象中那么脆弱。與對照組比,酒精浸泡,蒸,煮后,纖維的原始微觀結構都保持完好,纖維直徑分布,膨松性等并未發生改變,未發現纖維斷裂,腐蝕?!蓖瑫r,他們發現“經過三次 75% 酒精噴霧消毒后,口罩依然具有靜電吸附能力”。

為了進一步揭示口罩特別是防病毒口罩的生產工藝要求、材料性能要求以及如何提升口罩的防護性能、如何提高口罩的使用壽命,本文將從界面化學以及接觸角分析測量技術方面進一步進行論證。

一、材料準備:

1、口罩準備:

我們準備了電動口罩(原森態公司)、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、一次性醫用口罩等各1個。

口罩 接觸角測量

2、蒸餾水、75%醫用酒精及酒精棉、84消毒水并按1:10配比配制消毒液。

3、測試設備:

接觸角測量儀(美國科諾工業有限公司KINO,SL200KS型)、海爾微波爐、小米紫光UV消毒機。

二、測試方法:

1、采用接觸角測量儀測試外層材料的接觸角值,包括棉布(保暖口罩)、無紡布(醫用口罩以及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組進行對比測試,包括不作處理的① 作為對照組,不做任何處理,② 75% 酒精浸泡 1 小時,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機吹10分鐘烘干處理。

3、接觸角測試的方法:

(1)接觸角測量儀吸入蒸餾水并采用阿莎算法(ADSA-RealDrop)測試蒸餾水的表面張力值。若表面張力值不符合文獻值(20℃ 72.75mN/m,誤差±0.5mN/m),則進行針頭、進液器的清洗,直到測值結果符合文獻值。通過本測試流程,確保測值結果的重復性以及可對比性。本次實驗結果的表面張力值為18℃ ,73.1mN/m)

(2)將測試材料采用夾具夾持保證水平度后,采用激光水準儀,調整樣品的上表面水平度后,進行接觸角測量。

(3)接觸角測量的測試方法為阿莎算法(ADSA-RealDrop),可以自動修正重力影響以及將表面張力值參與運算。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,沒有精度、科學性不強,本實驗將不采用這些測試方法。

(3)對不同的外層材料進行至少3個位置點的接觸角測量,并取平均值。

(4)對7組對比實驗的熱熔布分別進行至少3個位置點的接觸角測量,并取平均值。

三、結論與討論:

 1、口罩外層不同材料的接觸角值對比結果如下表所示: 

序號 類別 平均
1 3M保暖口罩棉布層 138.09
2 一次性醫用口罩無紡布 137.12
3 Willson口罩無紡布 123.94
4 原森態濾芯外層 120.35
5 一次性口罩濾芯 118.63
6 小米智米聚氨脂泡沫棉 88.28   

 

從如上數據可以看出:

(1)3M保暖口罩棉布層以及其他經過特殊處理的棉布層,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到近140度左右,超疏水處理后,接觸角值可以達到150度以上,具有極好的疏水疏油性,可以起到很好的防水、防油效果以及防塵效果。

(2)一次性醫用口罩的無紡布表面處理后,也具有一定的疏水效果。但是,這種疏水效果事實上是由于其本身的低表面自由能以及無紡布本身的絨毛狀結構將小體積的測試蒸餾水托起,因而形成了假性疏水接觸角值。這種接觸角值無法經受疲勞測試或長時間,多次使用。長期使用后,極易導致接觸角值明顯下降。

(3)通常的無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紡布的實際接觸角值,同時這個接觸角值也是由于無紡布本身的絨毛結構托起水滴造成的假性弱疏水角特征。

(4)聚氨脂槔或未經處理的棉布,由于其弱親水性,從而在實際應用于防護時事實上效果較差。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的棉制產品或纖維產品更為適合。而內層貼近人的皮膚層,則建議采用無紡布層,以保護人的皮膚,同時也可讓人感覺較為舒適。

 (1)3M保暖口罩棉布層:

口罩棉布層 接觸角測量

(2)一次性醫用口罩無紡布接觸角值

口罩無紡布接觸角值

口罩 接觸角測量

(3)Willson口罩無紡布

口罩無紡布接觸角值

4、原森態濾芯外層

口罩波芯 接觸角測量

5、1次性口罩濾芯外層無紡布:

口罩波芯 接觸角測量

6、 小米智米聚氨脂泡沫棉

口罩聚氨脂泡沫棉接觸角測量

 2、熱熔布層(超細聚丙烯纖維熔噴材料層)的接觸角測量結果

7組對照組的接觸角測量結果如下表所示:

序號 類別 平均
1 對照組,不做任何處理 138.59
2 75% 酒精浸泡 1 小時 139.29
3.1 酒精棉擦洗一次 138.42
3.2 酒精棉擦洗二次 136.41
3.3 酒精棉擦洗三次 135.40
4 沸水煮 10 分鐘 136.38
5 蒸汽蒸 7 分鐘 138.03
6 微波爐小火2分鐘 141.13
7 84消毒處理 0

通過如上數據可以看出:

(1)酒精浸泡與酒精棉擦洗均不會對熔噴布造成明顯的影響,接觸角值沒有處理時均值為138.59度,而酒精浸泡后接觸角值為139.29度,酒精棉第一次擦洗時接觸角值為138.。這個同如上《一次性口罩能否消毒后重復使用?——掃描電鏡的實驗結果公布》中的結論是一致的。

(2)酒精棉多次擦洗會導致熔噴布的接觸角值變小,因而重復多次使用極可能導致熔噴布的壽命減短,同時防護效能會降低。

(3)沸水煮和蒸汽蒸均不會對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明顯提升熔噴布的接觸角值,因而,防護效能有明顯提升。

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

綜合如上可以得到結論:

(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效果。

(2)熔噴布的有效防護的接觸角值的最低臨界值建議為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紫外消毒是最好的消毒方式,建議使用。

 

 (1)對照組,不做任何處理的熔噴布接觸角值圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(2)75% 酒精浸泡 1 小時口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(3)酒精棉擦洗一次口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(4)沸水煮 10 分鐘口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(5)蒸汽蒸 7 分鐘口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(6)微波爐小火2分鐘口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

(7)84消毒液處理后的口罩熔噴布的接觸角測量圖譜

口罩熔噴布的接觸角測量

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