【口罩生产】只有口罩机是造不出口罩的，关键材料是“熔喷布”
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为什么有了口罩机还不能造出口罩
是因为缺口罩核心材料：熔喷布
01
医用口罩的结构
要了解熔喷布的作用，首先要明白口罩的设计结构。
医用口罩属于第二类医疗器械，大部分为自吸式过滤口罩，其工作原理是使含有害物的空气通过医用口罩的滤料过滤后再被人吸入或者呼出。
产品结构组成
医用口罩一般由以下材料构成：
主体过滤材料：如聚丙烯熔喷布等。
其他材料：金属（用于鼻夹）、染色剂、弹性材料（用于口罩带）等。
剪开一个已经使用过的医用口罩，你会发现：口罩有三层，（内层）吸湿层、（中层）核心过滤层、和（外层）阻水层。
因为按照国家的生产规定，医用口罩至少包含3层无纺布（N95 级别口罩，结构上做了优化：（中层）核心过滤过滤层层数更多了，厚度更厚了）。
医用外科口罩结构示意图
（S层：聚丙烯专用树脂 M层：高熔融指数的聚丙烯专用树脂）
N95 级别口罩结构示意图
（图片来源于霍尼韦尔，如侵权请通知删除）
02
熔喷布是什么？作用原理是什么？
熔喷布，俗称口罩的“心脏”，是口罩中间的过滤层，能过滤细菌，阻止病菌传播。熔喷布是一种以高熔融指数的聚丙烯为材料，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 0.5~10 微米，其纤维直径大约有头发丝的三十分之一。
下图是拍摄的熔喷布结构照片：
（飞纳台式扫描电镜拍摄）
有同学看到图片会担忧了，熔喷布空隙这么大，是怎么过滤环境中的病毒的呢？虽然新型冠状病毒尺寸很小，在 100 纳米（0.1 微米）左右，但是病毒无法独立存在，其传播途径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，这是其一，第二，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。根据飞沫颗粒的大小和气流速度，纤维通过多种机制捕捉含病毒飞沫：
纤维过滤机理示意图
1、惯性沉积：inertial impaction
粒子通过过滤材料弯曲的网状通道时，粒子由于惯性作用脱离气流撞击过滤纤维，并受分子引力作用被截留。大粒子、高密度、速度快时截留效果好。
2、截留沉积：interception
随气流运动的较大粒子被过滤材料的机械筛滤作用截留。粒子直径与滤膜纤维的直径的比率影响拦截效率。
3、扩散沉积：diffusion
粒子布朗运动扩散位移到过滤纤维，受分子引力作用而被吸附。最易捕捉小尺度粒子、细纤维和低速运动的粒子。
4、静电吸引沉积：electrostatic attraction
粒子被过滤纤维的静电作用产生的沉积。
颗粒越小时，1、4沉积效应越强，颗粒越大时，2、3效果越好，所以并非越小的颗粒越难被过滤。
而要起到以上这些过滤作用，要求纤维的直径要尽量细，而熔喷布纤维直径在 0.5-10 微米之间，比表面积大，排列致密高，过滤性能好。在医用外科口罩与 N95 口罩中均使用熔喷布作为核心过滤层，对含病毒的飞沫或气凝胶均具有良好的过滤效果。
口罩的S层和M层尽管原料都是聚丙烯专用树脂，但熔喷布专用料与其他无纺布原料在生产工艺和性能上存在很大差异。
熔喷布▲
03
熔喷布怎么来的？
熔喷布专用料就是高熔融指数的聚丙烯。聚丙烯熔融指数越高，熔喷出的纤维就越细，制成的熔喷布过滤性也越好。
熔喷布专用料 李英豪摄▲
下面看看熔喷布怎么生产出来的：
别小看这段视频，2月23日，上海石化紧急研发转产的熔喷无纺布专用料试产成功，每天可生产6吨，将助力新增一次性医用口罩近600万片/天。
由于熔喷布的原材料聚丙烯取自石油，因此石化企业在生产熔喷布上具有优势。为了解决高熔融指数难题，上海石化抽调力量组建了研发团队开展配方研究、测试分析和放大试验等工作，努力克服设备、技术种种困难，才终于成功攻克高熔融指数聚丙烯改性生产难题。
员工正对样品的熔融指数进行分析 徐若舜摄▲
据悉，通过工艺优化，上海石化有望短期内每天再增产约2吨，达到日产8吨熔喷布专用料。要知道此前国内熔喷无纺布较为小众，年产能为5.35万吨，占无纺布产能的1%，主要用于生产口罩、环保材料、服装、电池隔膜等产品。
李英豪摄▲
据说上海石化以往产品的熔融指数，只有口罩熔喷布专用料的三十分之一。面对挤出机切粒速度慢、冷却距离短、螺杆长度不够等硬件不足的挑战，该公司通过改造电控系统和传动系统、调用其它生产线水槽、优化模头等，想方设法在现有设备条件下进行紧急改造和调整，以满足生产需要。
04
内容延伸：不必非要N95
N95是美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）最早提出的标准，“N”是指“不适合油性颗粒物”，“95”是指在 NIOSH 标准规定的检测条件下，对 0.3 微米颗粒的阻隔率须达到 95% 以上。因此，N95 不是特定的产品名称，而是一种标准，只要通过 NIOSH 审查并达到这个标准的口罩都可以称为“N95”，与 N95 口罩等效的国内标准口罩为 KN95。
医用外科口罩不同于一般的医用口罩，在名称中，有“外科”两个字。两者从外表看，没有太大区别，但是，防护标准并不相同。医用外科口罩执行是 YY 0469-2011 《医用外科口罩技术要求》，比普通医用口罩的防护效果会更好一些。
对比了 N95 口罩和医用外科口罩的截面图，扫描电镜图片可以清晰看出，整体原理和结构是一致的。不同的是，外科口罩的熔喷布厚度为 156 微米，而 N95 级口罩的熔喷布层厚度为 521 微米，是外科口罩的 3 倍 。
医用外科口罩截面图，飞纳台式扫描电镜拍摄
N95 口罩截面图，飞纳台式扫描电镜拍摄
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。
在物资充足的情况下，选用 N95 口罩自然没有问题，但 1 个 N95 口罩会消耗 3-4 个外科口罩的原料，在当前春节刚刚复工，原材料紧缺的背景下，我们呼吁读者遵守钟南山院士的倡议，减少 N95 口罩的消耗，把 N95 口罩留给真正需要的医护人员和疫区的同胞们，把生产资源留给外科口罩。
机械工程师整理，转载请注明内容来源。
内容来源：
[1]中国石化：试产成功，助力口罩每天再增600万片！
[2]上海石化在线：成功！上海石化口罩熔喷布专用料今日“上新”！
[3]飞纳电镜：扫描电镜图解哪种口罩能保护好您和家人 —— 倡议群众合理使用口罩资源
[4] N95 口罩供应告急，这四条生产线正 24 小时不间断生产口罩滤材，科技日报
[5] R. S. Barhate, S. Ramakrishna, Journal of Membrane Science 2007, 296, 1.
[6] 药店电商都缺货 口罩去哪儿了？，中国日报
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