口罩材料结构与性能
2020年2月9日星期日

       新冠肺炎疫情发生在春节期间，大家度过了对居家隔离极为印象深刻的庚子年春节。此刻，除了为我们遮风挡雨的那些可爱的人，我们都躲了起来。这是中国历史上，中国人集体享受的最漫长的一个假期，也是最最冷静的一个假期。此次疫情，是改革开放四十多年来中国经济和社会的一次整体急刹车。这是对社会和经济、乃至个人按下的代价极为惨痛的一次暂停键。
       此次春节，大家谁都没有预先想到：口罩是最受欢迎、最畅销、最紧缺的年货。大街小巷、乡村陋巷，几乎人人戴口罩。国家卫健委2020年2月7日新闻发布会上还说：在社区里面，如果这个社区没有新型冠状病毒肺炎的流行，室外也没有必要戴口罩。对于普通老百姓来说，我们就戴一般的普通口罩就可以了。但是谁也不敢掉以轻心啊，口罩是人人必备之物。春节期间口罩产能没有完全恢复，就是完全恢复的话，也不能满足全国14亿人每天的消耗。口罩企业产能也不是按照这种国家一级响应来安排的，毕竟本来的口罩市场使用量不大。我国生产了世界总量70%的口罩，国内市场一紧张，国际市场当然就也缺货。
       口罩基本功能是过滤大气中的飞沫、粉尘等物质，因为这些物质里面大概率地含有病菌等有害物质，戴口罩可使被吸入人体的空气更加清洁一些。口罩的基本结构就是非织造布，由于采用的非织造布层数、孔隙率，以及口罩周边与脸部接触的密封方式不同，于是就有普通口罩、医用防护口罩（包括N95、KN95）等类型。对于现在传言的新型冠状病毒通过气溶胶传播方式，普通口罩虽然有一定的防护能力，但防护能力还是极为有限的。当然，气溶胶传播方式现在尚未得到明确证实。
       其实不单是口罩，很多防护衣的主要成分也是非织造布。非织造布占了医疗卫生用纺织品的极大比例。
       非织造布主要由聚乙烯、聚丙烯、聚酯等纤维通过纺粘、熔喷、气流成网后，经热压、化学粘合或物理粘合等固化形成的织物。口罩用非织造布主要用纺粘方法成网热轧固化制备。
       国际标准组织EDANA和INDA对非织造布的定义是[1]：非织造布是一种由纤维、长丝和任何质地和来源的短切纱线，通过除机织和针织以外的任何形式成网和粘结而成的片状物。不包括湿法缩绒的毡制品。湿法非织造材料要求在其纤维成分的长径比大于300，人造纤维或非纤维素纤维占全部质量的50%以上，或长径比大于600的纤维虽只占全部质量的30%以上，但其密度小于0.4g/cm³。 复合结构的材料要求其非织造成份的总重量要占50%以上，或非织造成份占主要地位。
      非织造布的主要参数如下：
      （1）纤维尺寸和性质：纤维直径，直径变异性，横截面形状，卷曲率和卷曲幅度，纤维长度及长度分布性，线密度，纤维力学性质（杨氏模量，弹性，强度，弯曲刚度，扭转刚度，压缩性，摩擦系数），原纤化倾向，表面化学性和吸湿接触角。
      （2）织物尺寸及变异性：尺寸（长度，幅度，厚度，平方米克重），尺寸稳定性，密度，厚度均匀性。
      （3）纤维排列：纤维取向分布
      （4）粘结点的结构性能：粘结类型，大小，形状，粘结面积，粘结点分布密度，粘结强力，粘结点分布，几何排列，在粘结点作用下纤维的自由活动度粘结点和纤维连接处性质，粘结点的表面性质。
       （5）多孔结构参数：织物的孔隙率，孔的尺寸，孔的分布，孔的形状。
       图1是非织造布结构SEM图示例。影响口罩过滤性能的主要参数是纤维直径、取向分布、孔隙率和厚度等指标。

图1 非织造布结构SEM照片

       图2是纺粘和针刺非织造布结构的对比图，纺粘非织造布借助纤维之间热粘合固化成型，针刺非织造布通过刺针穿刺使纤维之间得到纠缠而固化成型。   

纺粘非织造布

针刺非织造布

图2 纺粘和针刺非织造布结构对比

       C.M. van Wyk [2]是世界第一个分析研究完全随机分布纤维网及其压缩性质的研究者，当时研究对象是羊毛纤维网。H.L.Cox [3]提出非织造布结构表征参数和纤维取向分布函数，随后Backer和 Petterson [4]提出纤维网理论，根据纤维的取向、拉伸性能来估算非织造布的拉伸性能，其中假设两粘结点之间的纤维片段为直线。在二十世纪60年代，主要在1963~1969年间，出现一个研究非织造布结构的高峰，并以“Nonwoven Fabric Studies”为主题在“Textile Research Journal”上连续刊登17篇关于非织造布工艺和结构研究论文。在经典力学方法在非织造布拉伸强度预测发展到瓶颈期时，P.N.Britton [5]于1983年得益于当时计算设备硬件的发展，开创用数值方法计算非织造布结构与性能关系。图3是非织造布结构模型，常备用于性能预测和设计。

图3 非织造布结构模型

       口罩过滤效率主要取决于颗粒与非织造布之间的粘合性能，飞沫等液滴容易粘附于口罩表面，相比于固体微细颗粒，飞沫不容易渗透到口罩内层。口罩对于飞沫的过滤还是比较理想的。
       对于固体颗粒（如PM4或者PM2.5等），图4显示非织造布最小过滤效率与气流中颗粒尺寸大小的关系。对于直径小于d_p1的微小颗粒，主要过滤机理是扩散。对于直径在d_p1和d_p2之间的颗粒，非织造布过滤效率较小，因为该颗粒对于发生明显的扩散来说过大，对于拦截作用来说则太小。对于直径大于d_p2的，过滤效率增加，因为随着惯性碰撞增加，拦截是主要作用机制。颗粒直径在dp1和d_p2之间时，过滤效率会减少，使用具有不同直径的纤维混合可以设计过滤效率高的非织造布。

图4 气流中颗粒直径与非织造布过滤效率的关系

       非常时期，口罩是紧缺资源，也是隔断病毒通过飞沫传播的有效办法。2月2日《新闻联播》钟南山院士接受央视总台记者采访时也说并不是所有场合都要戴口罩，例如非疫区的球场和人员密度不高的地方，其实没有必要经常戴口罩。

       另外，口罩的主要原料是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等化学纤维，自然降解过程漫长。此次大批量使用口罩之后，需要妥善丢弃、分类收集，既不造成环境污染，也不成为病毒的二次传染源。
       此次疫情过后，大家可能都会有认识：不必要的聚会，不去；不必要的见面，不见。待在家里，读书、喝茶、做饭，多陪伴父母亲、伴随亲人们做一些以前认为无聊的事情，耐心听完他们讲的每一句话。安静，有时候真的挺好。

参考文献：
1 ISO 90921988; BS EN 29092, 1992 Textiles, Nonwovens, Definition.
2 van Wyk CM. Note on the compressibility of wool. Journal of the Textile Institute Transactions, 1946, 37(12): T285-T292
3 Cox HL. The elasticity and strength of paper and other fibrous materials. British Journal of Applied Physics, 1952, 3(March): 72-79
4 Backer S, Petterson DR. Some principles of nonwoven fabrics. Textile Research Journal, 1960, 30(9): 704-711
5 Britton PN, Sampson AJ, Elliott CF, et al. Computer simulation of mechanical properties of nonwoven fabrics. Part I: The Method. Textile Research Journal, 1983, 53(6): 363-368