科普：口罩中的静电吸附与口罩的重复使用
----口罩中的静电吸附原理是什么？口罩中的静电可以待多久？口罩可以重复使用么？
疫情当前，口罩作为抵挡病毒传播的防火墙，成了最紧缺的战略物资。在政府和相关企事业单位的全力推动下，相关企业响应国家号召，积极复产转产，口罩产能快速增长，一定程度上缓解了口罩急缺的局面。但是整体形势依然严峻，特别是国际疫情发展很快。如果口罩可以重复使用和长期储存，那不仅会在很大程度上缓解人民群众紧迫的需求，减少环境污染，也可有力支援国际抗疫，还可支撑长久的家庭保存和战略储备，意义很大。据最新报道，美国甚至开始对医用N95口罩进行了过氧化氢处理，实现20次以上的重复使用。
考虑到当今95%以上的口罩材料采用了量大面广的低成本的聚丙烯熔喷材料作为最核心材料——过滤层材料，因此，广大民众十分关心：口罩过滤空气的原理是什么？口罩带电是怎么回事，又是怎么样失效的呢？民用口罩有没有可能重复利用呢？
针对上述问题，北京化工大学组建的高性能口罩研究团队联合相关合作企业，撰写此科普文章，由于时间紧，水平有限，错误在所难免，请读者批评指正。(此文贡献人员包括：武文杰 胡水 王丹 宫国卓 张明明 侯冠一 万海肖 高科 陈青葵 陈文泉 张世甲 韩吉彬 张至宇 刘铭晖 李赛 洪崧 刘军 赵秀英 杨卫民 田洪池 卢咏来 张立群 陈建峰；此文贡献单位包括：北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，山东道恩高分子材料股份有限公司，北京化工大学生物医用材料北京实验室，北京市劳动保护科学研究所，中国安全生产科学研究院，北京联合康力医疗器械有限公司，北京铜牛集团有限公司，彤程新材料集团股份有限公司)。
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一、口罩过滤空气的机理主要可以分为两种，一是机械过滤，二是静电吸附，不同材料的口罩，不同颗粒的过滤，可能由其中的一种机理单独作用，也可能共同作用。当今，95%以上的口罩使用了聚丙烯熔喷布作为阻隔过滤层，这类口罩中静电吸附起到了很重要的作用。
二、静电吸附的静电主要由口罩中间的聚丙烯熔喷布层提供，这层熔喷布被提前通过电晕驻极（也有少数是通过水驻极）的方法注入了电荷，并且这部分电荷在正常储存时可以长时间存在。
三、口罩能否多次使用，决定于两个因素：一是口罩上的病毒和细菌能否被及时消杀；二是经过佩戴和各种方式的消毒处理，口罩中的电荷是否还有存留并提供必要的阻隔性能。
四、根据国家卫健委推荐的方法，56摄氏度及以上的热水浸泡半小时是可以消灭新冠病毒的。大量实验已经证明，此程序对一部分熔喷布中的静电电荷影响不大，口罩的滤效下降很小。
五、《可重复使用民用口罩》团体标准2020年4月13日已正式发布，通过该标准认证的口罩会带有“可重复使用”或者“RU”的字样，这些口罩是可以通过简单方法（详见文末）处理后重复利用的。
详细解读版
一
口罩是如何过滤空气的
我们知道，某些季节或某些环境下，空气中会有很多的有害杂质，需要过滤和净化后，才能供给呼吸，否则会对身体产生危害。在目前的疫情之下，我们最担心的就是其中的新冠病毒，口罩起到的作用就是将其中的新冠病毒和其他细菌颗粒过滤掉，并阻挡飞沫在人与人之间的传播。口罩的过滤主要基于两种过滤机理：机械过滤和静电吸附（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社；Journal of the Air Pollution Control Association, 1980, 30:4, 377-381；Separation & Purification Reviews 2013, 42 (2), 87-129.）。
1. 机械过滤 就是采用机械的方式将病毒等杂质拦截下来，机械过滤又可以分为以下几种：
A.拦截效应。如果我们把口罩想象成一个筛子，那大于筛孔尺寸的颗粒肯定是无法通过的，这就是拦截效应的一部分。主要作用对象是尺寸较大的颗粒。
图1：拦截效应
B. 重力效应和惯性效应。也有一部分粒子虽然尺寸可以通过纤维之间的间隙，但是因为空气流动下的惯性和重力的作用也会撞到纤维上被截留下来，无法和空气一起通过滤材，这两种分别叫做重力效应和惯性效应，这两种效应也是主要作用在质量较大的颗粒上。
图2：重力效应
图3：惯性效应
C.扩散效应。有一些很小的粒子，在空气中不像较大的粒子那样规则地沿着确定的路线运动，而是会做无规运动，这就是布朗运动。常温下，0.1微米的微粒一秒钟扩散的距离可以达到17微米（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社），这是远大于纤维之间的间距的，因此这些颗粒也非常容易和纤维接触，有更大的机会被截留下来，这就叫做扩散效应。对于大于3微米的微粒，扩散效应会非常微弱，粒子越小，流速越慢，扩散效应会越明显。
图4：扩散效应
基于以上的论述，我们可以发现，较大的粒子通过拦截效应、重力效应和惯性效应会很容易地被拦截下来，而较小的粒子会通过扩散效应被很好地拦截下来，也就是说中间尺寸的粒子是最难被拦截下来的。滤材过滤效果和粒子尺寸之间的关系如图5所示，总效应最低的位置对应的粒径叫做最低效率粒径（空气洁净技术. 2015.中国电力出版社）。
图5：过滤效率与微粒粒径的关系
图6：空气中粒子分布金字塔
许多实验证明，对不同性质的微粒，不同纤维层，不同过滤速度，最低效率粒径是变化的。但是大多数情况下，最低效率粒径在0.1-0.4微米之间（空气洁净技术. 2015. 中国电力出版社），PM 2.5颗粒中的很大一部分也是在这个尺寸区间的（空气洁净技术. 2006. 机械工业出版社）。
那是不是把滤网上的孔做得足够小，小到0.1微米就可以过滤掉空气中的绝大多数颗粒了呢？是的，这样确实可以过滤掉绝大多数颗粒了，可是这样过滤阻力太大了，会严重影响呼吸的，那怎么办呢？一个办法就是把过滤层做的很薄来减小气阻，现在的很多纳米过滤膜都很薄，譬如口罩用的聚四氟乙烯纳米膜，薄到10微米（0.01毫米）以下；静电纺丝制备的纳米膜，一般也薄到10微米以下，但是这样的薄膜强度很低，必须用强度更高的大孔无纺布等进行复合支撑。与此对比的是，聚丙烯熔喷布的单层厚度在100微米以上，某些N95口罩使用3层熔喷布，最高厚度达到800微米。第二个办法就是使过滤材料具有静电吸附能力。
图7：不同种类的过滤膜纤维微观形貌
2. 静电吸附 众所周知，带静电的物体是可以吸附轻小物体的，科学家们根据这个原理，在聚丙烯熔喷布中通过各种方法注入电荷，使熔喷布带上静电并长时间保持这一状态。当空气中的颗粒通过口罩时就会被增加的静电作用吸附上去，从而在不提高呼吸阻力的情况下，大大地提高整体过滤效率。静电吸附对于机械过滤很难拦截的0.1到0.4微米之间的颗粒过滤起到了至关重要的作用（Separation & Purification Reviews 2013, 42 (2), 87-129.）。
图8：静电吸引轻小物体
今天的高质量医用外科口罩和医用防护口罩如N95口罩等正是基于以上这两种过滤机理，兼顾了低过滤阻力和高过滤效率。那现代的医用外科口罩和N95口罩是什么时候诞生的，又是如何引入电荷的呢？
图9：静电吸附示意图
二
聚丙烯纤维布的驻极充电
科学家卡尔·齐格勒（Karl Ziegler）和居里奥·纳塔（Giulio Natta）因为配位聚合催化剂的贡献和等规聚丙烯的合成等工作，于1963年获得了诺贝尔化学奖，此时，距离医用灭菌式纱布口罩的诞生已经过了68年。尽管如此，也要等到15年之后，现代口罩中使用的聚丙烯熔喷布驻极体才被目前防护领域知名的3M公司发明出来，并申请了专利（U.S. Patent No. 4,215,682.）。1981年，3M公司第一次将该材料用于空气净化领域（U.S. Patent No. 4,462,399.），而后又申请了口罩相关的诸多专利（U.S. Patent No. 4,807,619；U.S. Patent No. 4,729,371.）。这也奠定了现代口罩以聚丙烯熔喷布（驻极体）作为核心过滤层的技术基础，而后淘汰取代了无菌纱布口罩。
我们已经知道了聚丙烯口罩中电荷的重要性，那口罩中的静电荷可以保持多久呢？静电我们并不陌生，冬季天气干燥的时候脱毛衣就会看到静电引起的小火花，可是毛衣上的静电会很快地消失掉，不能长时间存在，这样的静电荷是不能用在口罩中的。口罩中的电荷是由驻极体提供的，那什么是驻极体呢？其实驻极体的概念非常简单，通俗的讲，只要能长时间储存电荷的材料或物质就可以认为是驻极体。
从1919年第一个人工驻极体制备出来之后（驻极体. 2001.科学出版社），相继发现了很多优秀的驻极体材料，其中就有量大面广的石油化工产品聚丙烯。工业生产中，一般使用电晕驻极的办法给聚丙烯熔喷布注入电荷，如图10所示（RSC Advances 2018, 8 (15), 7932-7941.），注入其中的电荷在常温下会非常持久的待在熔喷纤维里面。聚丙烯纤维中的电荷主要分成两种，一种是比较容易跑掉的电荷，70℃左右就会跑掉，另一种是在材料中比较稳定的，这部分电荷就需要达到100℃以后才会慢慢的跑掉（physica status solidi (a) 1987, 100 (1), 143-147；Journal of Physics D: Applied Physics 1993, 26 (4), 690-693）。好的驻极熔喷布，重要的特征是电荷在高温下还相对稳定。因为电荷有正负之分，所以驻极的时候可以使用正电压驻极也可以是使用负电压驻极，但是实验结果表明，负电压驻极后的电荷更加稳定（IEEE Transactions on Electrical Insulation 1992, 27 (5), 924-943；Journal of Electrostatics 2007, 65 (10), 667-671.），所以一般工业生产中都是用负电压驻极。在负电荷驻极的工艺中，注入到聚丙烯中的电荷以碳酸根离子和氧负离子为主（驻极体. 2001.科学出版社；IEEE Transactions on Electrical Insulation 1992, 27 (5), 924-943.）。
图10：聚丙烯熔喷布制备和电晕驻极过程
注入到聚丙烯中的电荷储存时间和聚丙烯材料的结晶程度有很大的关系，结晶度越高，注入的电荷越多，电荷也越稳定。有研究人员用容易结晶的等规聚丙烯和不结晶的无规聚丙烯以不同比例进行混合，发现等规聚丙烯越多，电荷在常温下的储存时间越长，甚至储存时间高达290天时，表面电势也只衰减了10%左右，如图11所示（IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2017, 24(5):3038-3046.）。
图11：不同等规聚丙烯含量对电荷稳定性的影响
三
口罩电荷是如何跑掉的
有实验表明，存放了长达十年的N95口罩拿出来再做测试的时候还可以满足N95的技术标准（American Journal of Infection Control 2009, 37 (5), 381-386.）。作者所在的北京市口罩联合攻关组也对储存五年的某品牌N95口罩进行了测试，发现储存五年后，N95口罩在过滤效率方面依旧可以达标，但其静电吸附能力与新的N95口罩相比，确实有所下降。这说明在长期存放的过程中，聚丙烯驻极体中的电荷在耗散，但没有全部消失，聚丙烯纤维的机械性能也没有明显退化。当然，这些N95口罩都是来自于知名厂商。
图12：存放5年N95口罩静电吸附性能
如前所述，口罩中的电荷对其过滤效率有重要的改善。驻极体的一个重要的特征就是电荷驻扎寿命长，但电荷会因为外界环境因素的影响而逐渐耗散，甚至大量丧失。口罩中电荷的耗散是一个非常复杂的过程，目前看，湿度（Journal of Physics: Condensed Matter 2004, 16 (3), 455-464.）、温度（IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2017, 24 (2), 774-783.）、时间、接触的化学物质及颗粒物等均会影响电荷的耗散。在常温储存状态下，湿度的影响较为明显，如图13所示（Journal of Physics: Condensed Matter 2004, 16 (3), 455-464.），较高的相对湿度下，电荷耗散的更快一些。
图13：湿度在常温储存条件下对电荷剩余比例的影响
可以确定的是，口罩中电荷的衰减是先从那部分“意志不太坚定”的电荷开始的，而另一部分电荷是不太容易衰减的。大量研究表明，注入到聚丙烯纤维中的电荷是分两段衰减的，较为稳定的电荷只有被加热到100℃以上，才会开始减少，如图14所示（physica status solidi (a) 1987, 100 (1), 143-147；）。
图14：聚丙烯中两种电荷随温度衰减关系及含量
作者团队也做了相关的研究，在不同温度下对口罩进行了100分钟的热处理，而后测试过滤效果，结果如图15所示。可以看出，70摄氏度之后，口罩的滤效有小幅的下降，而在110摄氏度之后，口罩的滤效发生了较大程度的下降，这也说明了口罩中有两种电荷，且初始衰减温度不同。
图 15：不同温度下热处理后的北化II代熔喷膜过滤性能
卫健委推荐了75%的酒精可以消杀病毒，很有效。但是酒精对口罩聚丙烯电荷的消解却是很快的。比如酒精浸泡，会大大地降低口罩的阻隔能力（Aerosol Science and Technology 2015, 49 (10), 977-983）。作者团队的实验结果（图16）也证明了这一点。实际上，和酒精同属于醇类的异丙醇，去除口罩中电荷的能力比酒精还要强，这是因为异丙醇和聚丙烯的结构更加接近，更容易进入聚丙烯熔喷布中并和纤维表面亲密接触，通过溶胀效应拉大分子空间，使得电荷更快地跑掉（Polymer 2018, 145, 447-453.）。在ISO 16890（通用空气过滤设备）的测试标准中就是使用异丙醇脱除滤网中的电荷，来检测其单纯的机械过滤作用的。
图16：热水及酒精消毒对北化II代口罩过滤性能的影响
由于水对聚丙烯的亲和性非常差，因此，用一定温度的水来消杀病毒后是有可能确保电荷稳定存在的。由于温度对电荷散逸有一定的影响，作者团队测试了在蒸锅中湿蒸口罩以及用60-80℃温度区间的热水浸泡口罩，这两种方法都能够很好的消杀病毒，并且适合家用。研究表明，口罩在湿蒸中和热水中反复处理10次后，较酒精而言，均能良好地保持滤效，而热水消毒比湿蒸消毒保持率更高（如图17所示），因为热水温度比蒸汽温度低。
图17：热水浸泡和湿蒸两种消毒方式对北化III代熔喷膜过滤性能的影响
口罩在佩戴时会积累一定量的水份，这些水份中的离子浓度会高一些，可能会耗散口罩中的电荷；空气中的粒子在不断地被口罩纤维拦截的过程中也可能会消解一部分口罩中的电荷；佩戴过程中的反复呼吸以及摘戴，也可能会对纤维堆积结构产生局部扩孔的影响。作者团队在实验中发现，佩戴后的口罩滤效确实会明显下降（如图18），而且因人而异，导致滤效数据离散性大。也就是说佩戴行为对口罩的过滤性能是有明显影响的。因此在口罩重复利用的过程中不仅需要选择初始滤效较高的口罩还需要充分考虑佩戴后滤效的保持能力。
图18：某品牌口罩和北化III-1代口罩佩戴24h前后滤效的变化
干燥处理对于驻极聚丙烯熔喷布而言，既是一个移走水份的过程，又是一个使熔喷布静电吸附性能恢复或者说再生的过程。干燥处理可以采用自然晾干或电吹风吹干，电吹风能够迅速移除水分，更快速恢复纤维的静电吸附能力，每天佩戴口罩超过4小时的人群、潮湿地区和潮湿天气佩戴人群以及重体力劳动者推荐使用此法快速干燥。
尽管聚丙烯纤维与水份的亲和性很差，但佩戴过程中人的哈气可能会使聚丙烯熔喷布的静电吸附能力受到影响，建议单次佩戴口罩时间不要超过4小时，4小时佩戴后如还需佩戴，要自然晾干或吹干一下，及时移走水份，也可以用电吹风快速吹干。佩戴当天晚上可以用文末推荐的方法进行消杀处理。
四
如何制造高性能的可重复使用口罩？
可重复使用民用口罩的生产与制造的意义是多重的：可以应对大范围疫情引起的口罩荒；可以节约资源；可以减少环境污染等等。
要做到口罩的可重复使用，有两点是很关键的，一是口罩要耐受多次佩戴对性能的弱化，二是要耐受多次消毒清洗对性能的弱化。如果还能做到对人体无害的高抗菌抑菌，甚至抛弃后还能堆肥或自然降解（特指民用口罩，医用口罩需要按照医用垃圾处理），那就更有意义了。
目前，在疫情期间出现了不少新材料口罩，主要是纳米纤维膜作为滤材的口罩，可以不依赖于静电吸附机理，滤效的稳定性应该更高，在可重复使用口罩上有很大的应用潜力。但是也面临着诸多挑战，包括高成本问题，高滤效与低呼吸阻力间的矛盾或者说低呼吸阻力与必要的膜强度间的矛盾，作为医用口罩时的人体毒性检测等等。相信这些问题在科学家与产业界的努力下能够很好地解决。
聚丙烯熔喷布量大面广，成本低，疫情之前价格为3万元/吨左右。如何进一步提升熔喷布的荷载电荷能力、电荷抗环境衰减能力、人体无害抗菌能力等，是重要的研究方向。当前，作者团队在北京市科委和国家科技部的大力支持下，与山东道恩高分子材料股份有限公司、北京联合康力医疗器械有限公司、北京铜牛集团有限公司等联合攻关，在可控自由基降解技术、驻极剂复合体设计技术、抗菌技术、防老化技术等上获得了重要进展，在熔喷布纤维结晶结构与性能、纤维直径、堆砌密度和驻极参数等上进行了重点研究。经过日夜奋战，已经开发出新一代聚丙烯熔喷料和熔喷布，受到市场的广泛好评，为基于聚丙烯材料的可重复使用民用口罩的制备提供了重要的理论支撑和技术支撑。
五
如何保证可重复使用口罩产品有规
可依？
口罩到底能不能重复使用？什么样的口罩重复使用才能保证防护安全？重复使用多少次为佳？重复使用时的注意事项是什么？这些问题在此之前，均无科学依据和标准依据。然而大家在口罩匮乏时可能会自发地重复使用一次性口罩，虽然一定程度上缓解了口罩荒，但也带来了自身防护风险。从目前的研究数据看，某些口罩是不具备多次使用的能力的。
作者团队对疫情期间在北京市场上购买的多款医用外科口罩进行了过滤效率测试（采用GB2626-2019标准）。发现其中一些口罩初始性能已经很低，经过佩戴和消毒后可能不能进行重复使用（图19）。
图19：几款国内市售口罩过滤效率和北京化工大学自研口罩对比
国内外市场上也出现了一些标称“可重复使用”的口罩产品。然而，由于现有的口罩标准中对于口罩产品的佩戴时间、使用次数、重复使用后性能等与“反复多次使用”直接相关的技术指标并无明确的规定和要求。这就导致可重复使用口罩存在无标可依的现象，不利于保障消费者的身体健康安全，也不利于大众消费者选用和市场监管，因此有必要编制一套标准予以规范口罩的“可反复多次使用”。
在北京市的大力支持下，北京服装纺织行业协会紧急成立工作组，开展《可重复使用民用口罩》团体标准编制工作，按照团体标准快速制定程序，由北京化工大学作为主编单位，北京时尚控股有限责任公司、山东道恩高分子材料股份有限公司、北京市医疗器械检验所、北京市劳动保护科学研究所、北京市环境保护科学研究院、中国人民解放军疾病预防控制中心、北京市标准化研究院、北京市疾病预防控制中心、北京联合康力医疗器械有限公司、北京铜牛集团有限公司、彤程新材料集团股份有限公司、北京橡胶工业研究设计院、北京量子金舟无纺技术有限公司、中国复合材料学会、中国化工学会橡塑产品绿色制造专业委员会、郑州医美健康产业集团、北京泰纳科新材料科技有限公司等参编单位共同起草。日前，《可重复使用民用口罩》团体标准已通过专家评审，并于2020年4月13日正式发布（《可重复使用民用口罩》团体标准，T/BJFX 0001—2020）。
该团体标准规定了机器模拟佩戴和真人佩戴后口罩性能的保持能力，要求可重复使用民用口罩应能够耐受正常佩戴，耐受制造商推荐的消毒、清洗及干燥处理，累计佩戴时长不低于24h，洗消不少于3次。佩戴不低于24h及洗消不少于3次后，口罩关键性能指标（单根口罩带与口罩体连接点处断裂强力、过滤效率、呼吸阻力、总泄漏率、通气阻力、呼吸阀盖牢度、微生物指标等）与新口罩的要求保持一致。
通过该标准认证的口罩会在包装上标有“可重复使用民用防护口罩”或“可重复使用民用卫生口罩”字样，且每只口罩上会标有“可重复使用”或“RU”字样。这一类的经过认证的可以重复使用口罩也会很快投放市场的。
对于满足可重复使用民用口罩标准的产品，假设每天只戴2小时，原则上可以戴12天，但最好当天或每隔1-2天用热水浸泡一次消毒杀菌。
推荐重复使用方法
针对此次新冠病毒疫情和采用量大面广的聚丙烯熔喷布作为阻隔过滤层材料的口罩，标准制订者建议制造商和消费者采用国家卫健委推荐的56摄氏度及以上的热水浸泡30分钟的方法或者蒸锅沸水湿蒸20分钟的消毒方法（不要用高压锅）。干燥可以采用自然晾干或电吹风吹干。由于口罩内的熔喷纤维布毕竟属于低强度材料，建议不要采用揉搓的方式进行洗涤消毒。
在此致谢本文贡献者：武文杰、胡水、王丹、宫国卓、张明明、侯冠一 、万海肖、高科、陈青葵、陈文泉、张世甲、韩吉彬、张至宇、刘铭晖、李赛、洪崧 、刘军、 赵秀英 、杨卫民、田洪池、 卢咏来、 张立群、 陈建峰。以及此文贡献单位：北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，山东道恩高分子材料股份有限公司，北京化工大学生物医用材料北京实验室，北京市劳动保护科学研究所，中国安全生产科学研究院，北京联合康力医疗器械有限公司，北京铜牛集团有限公司，彤程新材料集团股份有限公司)。还有参与此文实验研究的其他志愿者：北京化工大学王润国博士、吴晓辉博士、叶欣博士、杨海波博士、田明博士、周鑫鑫博士、乔博博士、李凡珠博士、温世鹏博士。
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