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2023-01-31
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更新時間：2023-01-17 16:05:23作者：智慧百科
一次性醫(yī)用口罩（圖片來源：VEER圖庫）
隔離病毒的是什么布？
我們每天使用的一次性醫(yī)用防護口罩之所以能形成阻隔病毒的屏障，有賴于其中間層---熔噴布。簡而言之，熔噴布是一種塑料制品，是由石油工業(yè)產(chǎn)品聚丙烯加熱后，經(jīng)熔噴工藝制成纖維后得到的。
而熔噴工藝，是過濾產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍使用的工業(yè)技術(shù)，可以制造出直徑為2-20微米的聚丙烯纖維。經(jīng)過后續(xù)駐極處理后，聚丙烯纖維還可以帶上電荷，當包含病毒的飛沫靠近時，它可以發(fā)揮“靜電神力”將它們吸附在表面，從而實現(xiàn)防護的效果。
聚丙烯熔噴布的纖維結(jié)構(gòu)（圖片來源：參考文獻2）
正是這些我們?nèi)庋劭床坏降睦w維結(jié)構(gòu)，使得熔噴布成為防護病毒的“神盾”。因此聚丙烯在熔噴過程中形成的纖維尺寸就顯得尤為重要。
采用熔融指數(shù)更高的聚丙烯制成的熔噴布，具有直徑僅為0.1-2微米的纖維，比頭發(fā)絲還要細千倍，因此孔隙率更高，可以改善口罩的透氣性、降低過濾阻力。一方面提高對病毒的防護能力，另一方面也使得佩戴過程更加舒適。
不僅如此，更細的聚丙烯纖維意味著熔噴布的單位面積密度更低，可以降低口罩成品對不可再生的化石原料的消耗。
此外，聚丙烯十分穩(wěn)定，在海洋環(huán)境中甚至需要400年才能降解。如果可以降低口罩中熔噴布的密度，就可以減少向環(huán)境輸出塑料垃圾的總量。
所以說，將聚丙烯纖維變得更細，以“開源”和“節(jié)流”雙管齊下，可以為地球大大減負。
聚丙烯纖維怎么變細呢？
如果我們可以像大圣指揮如意金箍棒一樣，口念“變細、變細、變細”就可以得到直徑更小的聚丙烯纖維，那可真是得來全不費工夫。但我們并沒有此等神通，不過倒也不必灰心喪氣，有高科技手段助力！
在利用熔噴技術(shù)制造聚丙烯纖維時，熔融的聚合物流體會經(jīng)由噴嘴被注入高速氣體/空氣射流中。氣體射流的沖擊對聚合物流體產(chǎn)生強大的牽引力，使得纖維直徑迅速降低至遠低于噴嘴直徑的大小，而后被收集成自粘結(jié)網(wǎng)，從而生產(chǎn)微纖維。
熔噴過程示意圖（圖片來源：參考文獻3）
熔噴設(shè)備的噴嘴可不簡單，上面分布著成百上千個孔洞，作為聚丙烯流體的出口。通過提高噴嘴上孔洞的數(shù)量以及優(yōu)化它們在噴嘴上的分布，配合特定角度的導(dǎo)氣槽，就可以將聚丙烯纖維的平均直徑降低至300-500納米。
除了噴嘴，或許還可以在聚丙烯上做做文章。在熔噴過程中，聚丙烯原料需要加熱從固體變成熔融態(tài)，就像黏糊糊的流體一樣。而提高溫度，可以降低聚丙烯流體的粘度，也就使得它的流動性更好，在氣流作用下受力能獲得更細的纖維。
然而，升高溫度是有限制的，那就是要避免聚丙烯在高溫下發(fā)生分解。于是，研究人員獨辟蹊徑，把目光放在了如何加熱噴嘴處的聚合物這方面。
想象一下，當聚丙烯被擠出噴嘴時，迎面遇到一束激光，在噴嘴處的熔融狀態(tài)的流體就會被加熱，而裝置內(nèi)的其他聚丙烯卻不受影響。這些經(jīng)歷激光洗禮的“排頭兵”因為溫度升高，粘度降低，變得稀溜溜，再配合高速氣流的牽引拖拽，嗖地一下就能完成“瘦身”。
激光處理噴嘴處的聚丙烯得到更細的纖維（圖片來源：參考文獻4）
辦法總比困難多嘛！源自科研人員的巧思，激光的加入使得熔噴技術(shù)制備的聚丙烯纖維平均直徑降低到450納米，而這只需要0.7W的激光就可以做到。
更細的聚丙烯纖維有多重要？
也許你會問，有必要如此大費周章，只為了降低聚丙烯纖維的直徑？難道我們現(xiàn)在用的口罩不夠輕？防護效果不夠好？
這樣做的意義可能遠比我們想得還要重要。
更細的聚丙烯纖維，不僅提高了對病毒等顆粒物的攔截，同時降低了聚丙烯的用量。在當前背景下，全球每天消費的口罩數(shù)量據(jù)估計可達到4.6億。
全球每天使用口罩數(shù)量分布圖（圖片來源：參考文獻4）
當使用后的口罩被丟棄，它們便從健康的守衛(wèi)者變成了垃圾。當前，每一只口罩需要使用約0.7克聚丙烯，僅需要簡單地計算就可得知，全球每年消費和丟棄的聚丙烯纖維高達115萬噸。而用更細的聚丙烯纖維制成的口罩，防護效果更佳的同時，每只口罩需要的聚丙烯纖維僅為0.13克。這一技術(shù)不僅為全球每年節(jié)約92萬噸聚丙烯原料，還為地球環(huán)境減少了大量的不可降解的塑料垃圾。
不僅如此，聚丙烯纖維更細的口罩還有助于減少廢棄口罩給其他動物和地球環(huán)境帶來的危害。聚丙烯在自然環(huán)境中非常穩(wěn)定，其降解時間甚至在400年以上。當廢棄口罩以不正確的方式進入環(huán)境中，不明就里的動物很可能誤食，引發(fā)嚴重的健康危害。2020年9月，在巴西海灘上發(fā)現(xiàn)的一具企鵝尸體的胃中，就發(fā)現(xiàn)了一只完整的口罩，這很可能使它死亡的主要原因。
而在我們看不到的地方，地球正以無言的方式，承受著塑料污染的影響。在美國圣巴巴拉沿岸580米深的海底，在高緯度的北極，在8840米的珠峰，都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了塑料污染物的痕跡。而這些污染或許正潛移默化地影響著我們?nèi)祟愖陨怼?/p>
所以，在看到口罩對我們的保護的同時，也不應(yīng)該忽視沒有被正確處理的廢棄口罩對環(huán)境和生物的不良影響。
全球每天使用口罩數(shù)量分布圖（圖片來源：參考文獻4）
因此，一只纖維更細的高科技口罩的誕生，于你我健康，于萬物生靈，于自然環(huán)境，都顯得如此非凡。而在這一過程中讓我們保持舉重若輕心態(tài)的底氣，源于可持續(xù)發(fā)展的理念，更源于科技的進步。
出品：科普中國
作者：Vivian
監(jiān)制：中國科普博覽
編輯：孫晨宇
參考文獻：
1.醫(yī)用口罩過濾材料的研究進展. 紡織學(xué)報[J], 2020, 41, 158-169.
2.聚丙烯材料在醫(yī)用口罩中的應(yīng)用. 材料與應(yīng)用[J], 2020, 46, 33-36.
3.Fabrication of nanofiber meltblown membranes and their filtration properties[J]. Journal of Membrane Science，2013, 336-344.
4. Saving 80% Polypropylene in Facemasks by Laser-Assisted MeltBlown Nanofibers[J]. Nano Letter, 2022, 22,7217-7219.
