从起源和机理上谈防病毒口罩技术

随着3月份的临近,相信不少小伙伴们心里都多了一份忐忑,出门上班好像有着非常大的风险,如果一不小心感染上了新型冠状病毒,自己遭罪是小事,传染家人和同事引起连带效应那就后果严重了。不过小伙伴们大可以把自己的心放回肚子里,各级部门对复工复产之后的防控工作都做了周密的安排,相应的防控方案已经出台,同时第五版的防控方案已经较为详细的讲解了新型冠状病毒的传播以及日常消杀的方法,多项措施并举力保小伙伴们的安全。

既然要上班,那就免不了出门在外,对于飞沫传播,最有效的应对方法就是戴口罩了,面对五花八门的口罩,相信不少人会有疑问,以下常见的口罩中,哪个有效?

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首先说结论,这三种口罩都有效果,官方推荐的N95口罩就是上图中的第二、三种(细心的小伙伴可能已经看出来,医用防护口罩上标注有N95的标识,也是N95系列)。同时医用外科口罩同样可以在日常生活的场景中起到阻隔病毒的效果,下边就详细讲讲医用外科口罩和N95口罩的防护原理。

第一种,医用外科口罩,一般分成三层:(内层)吸湿层、(中层)核心过滤层、和(外层)阻水层。这种口罩之所以能够有效防病毒,关键在于它们的核心过滤层均由一层熔喷非织造布构成,该熔喷非织造布是一种以聚丙烯为材料,由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜,纤维直径范围在0.5到10微米。

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对于上述的熔喷非织造布,主要以聚丙烯为主要原料,空隙多、结构蓬松、抗褶皱能力好,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、吸纳材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等领域。

熔喷非织造布在口罩中的应用于上世纪七八十年代出现。举例来说,英国专利GB7645933(申请日19761104)公开了一种外科面罩过滤介质,专利中指出柔性片状纤维材料适合作为多孔菌过滤介质,该材料可以是直径为0.2至14微米的无机过滤纤维,占过滤介质总重量30%以上,该材料随机的均匀分布在整个所述面罩上,形成的纤维融合材料。综上该专利公开了在面罩中加入合适直径的纤维对细菌进行过滤,可以算得上是防细菌防病毒口罩的先驱。

更进一步的,欧洲专利EP81901141(申请日19810513)公开了一种一次性手术面罩,具有用于遮盖鼻和口的主体部分。该主体部分包括过滤介质,该过滤介质为一种非织造网,可以是原纤化的驻极体纤维,例如聚丙烯;其加入量通常不超过50g/ms,例如在20至35g/ms之间。该主体部分可以包括用于过滤介质支撑装置(即在过滤装置上下两侧的支撑层),上述两个支撑层将过滤介质夹在中间。综上该专利进一步公开了面罩中的过滤介质可以是聚丙烯,至此,像三明治一样把聚丙烯夹在中间的防病毒口罩就正式出现了。

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有小伙伴可能会想,熔喷布空隙这么大,新型冠状病毒尺寸很小(直径在0.1微米左右),它是怎么过滤环境中的病毒的呢?其原因在于:首先,病毒通常无法独立存在,其传播需要有一定的载体,不然在空气中会很快失活,其传播的载体主要有分泌物和打喷嚏时的飞沫,飞沫的大小在5微米左右,可以被拦截;其次,熔喷布本质上是一种纤维过滤器,通过多种过滤机制实现对飞沫等颗粒的过滤,其中就有小伙伴们津津乐道的静电吸附:

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惯性碰撞(Inertial Impaction):发生在大颗粒身上,存在较大的惯性的颗粒遇到过滤纤维时。

拦截(Interception):发生在当颗粒沿着气流运动,碰巧与纤维表面接触时。

扩散(Diffusion):发生在当粒子尺度极小时,不按照气体方向流动,而是受随机粒子运动(小粒子的布朗运动)控制, 碰到纤维时被吸附。

静电吸引(Electrostatic Attraction)发生在纤维上存在静电荷时,纤维上的静电荷对颗粒会产生静电粘附。

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那么,在我们日常生活的场景中,就一定能够要追求使用N95口罩吗? 也不尽然。 对于N95和医用外科口罩的使用,国家卫健委高级别专家组组长钟南山院士在接受央视《新闻1+1》采访时提醒大家,实际上普通人日常生活中的防护,不一定非要戴N95口罩,一般的医用型防护口罩,是能阻挡大部分带有病毒的飞沫进入呼吸道的,在公共场合也就够用了。 即对于大多数非疫区公众来说,如果仅是日常外出及一般公众场所的话,其实医用外科口罩足以,既能达到相近于N95的效能,又能获得更好的舒适度。

最后,关于棉布、纱布、棉纸、海绵等这些口罩由于材质问题,孔隙较大,且往往不防水(一小会儿呼吸就会湿透)。如果有人在你旁边打喷嚏咳嗽,小的飞沫可能喷到您的口罩上,这时候一个孔隙较大或者没有防水层的口罩,并不十分安全。不过万一没有防护效果好的口罩,戴任何口罩就比不戴好!

说了这么多,相信小伙伴们应该对常见口罩的功能有了一定的了解了吧?没有任何一个冬天不会离去,没有任何一个春天不会到来,让我们同心协力,做好防控,抗击疫情,共度难关!

转载自国家知识产权局专利局审查协作河南中心(知豫新青年),点击查看原文

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