明白了口罩的核心材料有多难造，你就知道怎么判断假口罩了 | 把科学带回家

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导读

熔喷棉本身的过滤效率只有25%左右，N95口罩的95%的过滤效率是怎么来的呢？

这就要聊一聊医用熔喷棉制造过程中很关键的一步了——静电驻极处理。

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撰文 七君

经过这几个月的学习，许多人都知道外科口罩和N95口罩的核心就是中间的那个夹层——熔喷棉。

如果你还不知道，那么我们先来简单回顾一下。

外科口罩都分为3层，外面的两层是纺粘无纺布，中间的是熔喷棉。不管是纺粘无纺布，还是熔喷棉，都不是棉花做的，而是塑料聚丙烯（PP）做的。

中石化用于生产熔喷棉的聚丙烯

北卡罗来纳州立大学无纺材料研究所的副所长、材料学教授 Behnam Pourdeyhimi 介绍，外科口罩的前后两层无纺布是没有过滤微生物的功效的，它们只能阻隔液滴，只有中间的那一层熔喷棉才具有过滤病菌的作用。

合格的N95口罩和外科口罩的夹层是熔喷棉

新冠爆发后，熔喷棉的价格也是飞涨，从之前的一吨6千美金，涨到了一吨6万美金。

可是问题来了，纺粘无纺布和熔喷棉的原材料都是聚丙烯，为什么只有熔喷棉才有过滤病菌的功能，而且它供不应求呢？

简单来说，这是因为医用熔喷棉的纤维贼细，而且制造医用熔喷棉的机器贼贵而且交货时间长。

先说熔喷棉的过滤功能。

其实，纤维的过滤效率（FE）是纤维的平均直径和填充密度决定的，纤维直径越小，过滤效率越高。

电子显微镜下的熔喷棉纤维 图片来源：（DOI） 10.1039/C7RA10916D

熔喷棉成品纤维的直径大概在0.5-10微米之间，而纺粘层纤维直径在20微米左右。因为纤维超细，所以熔喷棉有很大的表面积，可以吸附各种微颗粒。更厉害的是，熔喷棉还比较透气，因此是制作口罩滤芯的好材料，而纺粘无纺布不行。

来看看这两种无纺布的制造过程。

制作纺粘无纺布时，聚丙烯熔化以后被拉成丝，然后结成网——

和纺粘无纺布相比，熔喷棉的技术高端多了，实际上熔喷技术是目前唯一用于大规模生产微米级纤维的技术。

熔喷棉的制造过程类似于做棉花糖。

机器可以产生高速热气流，热气流将熔化的聚丙烯从开口极小的熔喷喷头喷出，效果和喷雾一样——

迷雾一般的超细纤维会在滚筒或者平板上聚集起来，成为熔喷无纺布——

实际上，熔喷技术灵感来自自然界。你大概不知道，大自然也会制造熔喷材料哦。

在火山口附近常有一些长相奇怪的假发，它们是火山毛（Pele’s hair），这是玄武岩岩浆被火山口的热风吹成的。

夏威夷火山附近的火山毛

有时在火山附近的树梢、电线杆上，也可以找到火山毛。

20世纪50年代，美国海军研究实验室（NRL）首次采用熔喷技术制造过滤放射性物质的纤维。现在，熔喷技术除了可以制造过滤水和气体的滤材，还被用于制造工业上的隔热材料矿棉（Mineral wool）。

矿棉 图片来源：wikipedia

但是，熔喷棉本身的过滤效率只有25%左右，N95口罩的95%的过滤效率是怎么来的呢？

这就要聊一聊医用熔喷棉制造过程中很关键的一步了——静电驻极处理。

是这样的，我们刚才说过口罩的过滤效率和直径和填充密度有关。但是，如果织得太密，口罩就不透气，戴的人就很难受。

如果不做静电驻极处理，能让人感觉不会憋死的熔喷布的过滤效率就只有25%。

怎样才能在保证过滤效率的同时提高透气性呢？

1995年， 田纳西大学的工程学家蔡秉燚（Peter P. Tsai）用想到了工业过滤中使用的静电除尘技术（electrostatic precipitation）。

在工业上（比如工厂的烟囱），为了过滤极小的颗粒，工程师会用电场给微粒带电，然后用电网把它们吸住。

用静电除尘技术过滤空气

受到这种技术的启发，许多人都曾尝试给塑料纤维带电，但是没有成功。但是蔡秉燚却做到了，他发明了一种给塑料带电的方法，将空气离子化，为熔喷布带静电，使其变成驻极体，也就是永久带电的材料，类似于皮卡丘。

变成皮卡丘后，1层皮卡丘熔喷布不仅抵10层没过电的，还能够吸引直径为100纳米左右的颗粒，比如新冠病毒。

可以说，有了蔡秉燚的技术，才有了N95口罩。世界上数十亿人的生命都被这种技术保护着。

无巧不成书，蔡秉燚的静电驻极技术恰好叫做 the corona electrostatic charging，对，就是冠状病毒的同款 corona，不过这里的 corona 是电晕的意思。

高压电线圈的电晕放电 图片来源：wikipedia

看完医用级熔喷棉的制造过程，你就明白它的技术难度了。实际上，熔喷棉制造过程中最难的部分可能就是制造制造熔喷棉的机械了。

今年3月，熔喷机械供货商德国 Reicol 公司的销售总监 Markus Müller 在接受美国全国公共广播电台（NPR）采访时表示，为了保证纤维够细且质量稳定，熔喷机器需要很高的精度，不好制造，一台机器的生产和组装时间至少要5-6个月，每台机器的价格可达4百万美金，而市面上的许多机器的质量参差不齐。

埃克森美孚生产的熔喷喷头 图片来源：Advances in Technical Nonwovens

佛罗里达的 Hills, Inc 是世界上少数几个能制造熔喷棉设备喷头的厂家，该公司的研发经理 Timothy Robson 也表示熔喷棉设备的技术含量很高。

虽然我国口罩年产量约占全球的50%，是第一大口罩生产国和出口国，但根据中国产业用纺织品行业协会2月份的数据，全国熔喷无纺布产量不到10万吨/年，熔喷无纺布的缺口很大。

考虑到熔喷布制造机械的价格和机器交货时间，小型企业是不太可能在短时期生产大量合格的熔喷棉的。

所以一个新的问题来了：怎么判断买到的口罩是合格的，而且是用熔喷棉做的呢？

其实方法很简单，分三步走。

首先，因为夹心饼干的外层纺粘无纺布具有防水性，合格的医用口罩应该是防水的，都不防水的话还怎么过滤口腔喷射的液滴？你可以像这位大哥一样倒一点水上去试试——

其次，聚丙烯不容易着火，遇热倒是容易熔化，建筑材料燃烧性能等级为 B1，所以熔喷棉是不会燃烧的。如果用打火机烤，熔喷棉会卷起来烊掉，但是不会着火。

换句话说，如果你买到的口罩的中间层用打火机烤了会着火，那就是妥妥的假货。

第三，医用熔喷棉是皮卡丘，带有静电，所以可以吸起小纸片。

当然，如果你需要多次使用同一个口罩，N95的发明人蔡秉燚本人也有消毒的建议。

今年3月25号，蔡秉燚在田纳西大学的网页上表示，医用口罩和N95口罩的静电驻极效果很稳定，即使用70摄氏度的热风为口罩消毒30分钟，也不影响口罩的驻极体性质。不过，酒精会把熔喷布的电荷带走，所以不要用酒精对口罩进行消毒。

蔡秉燚对医用口罩的再使用消毒建议 图片来源：utrf.tennessee.edu/information-faqs-performance-protection-sterilization-of-masks-against-covid-19 

对了，由于熔喷棉有超强的吸收阻隔过滤防渗漏技能，不少女性用品和尿不湿也是用它做的，金佰利公司最早申请了相关专利。

金佰利公司 的专利产品 MICROFORCE 和医用口罩类似，也是夹心的结构，外面两层是纺粘无纺布，中间是熔喷布，熔喷布可以吸水。

请把这个有用的知识转给买不到口罩的朋友

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无标注图片来源网络。

动图来源和参考资料储存于石墨：

https://shimo.im/docs/HyhyrPq9wkXvptPX/

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背景简介：本文作者为七君。文章于2020年4月23日发表在公众号 把科学带回家 （明白了口罩的核心材料有多难造，你就知道怎么判断假口罩了） ，风云之声获授权转载。

责任编辑：祝阳