作者:温才妃 张金凤 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/26 19:45:05
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南工大研发高性能膜法口罩

 

自新冠肺炎疫情暴发以来,口罩需求量与日俱增,全国超过3000家企业新增了口罩业务。作为口罩过滤环节的关键材料,纤维直径只有头发丝三十分之一的熔喷布堪称医用外科口罩和KN95口罩的“心脏”,供应十分紧张,市场价格翻了十几倍,可以说是“一布难求”。

为了缓解当前市场熔喷布供不应求的紧张局面,南京工业大学化工学院膜科学技术研究所充分发挥专业优势,开发了一种新型过滤材料——纳米蛛网仿生膜,并应用到高性能膜法口罩的生产中,用膜技术成果扛起战“疫”使命担当。

神奇的纳米蛛网仿生膜材料

纳米蛛网仿生膜纤维直径在100—200纳米范围内,纤维之间相互交错,形成三维蛛网状结构,形成的微孔尺寸可控制在0.1到0.5微米范围内。“相比于纤维无序堆积、直径1000纳米以上的熔喷材料,纳米蛛网仿生膜具有孔隙率高、孔径小、过滤阻力低、过滤精度高等优势。”南京工业大学化工学院膜科所教授仲兆祥说。

通常空气中含有大量带有正电荷与负电荷的细颗粒污染物,当空气中的这些带电粒子经过驻极体附近时,会被强烈的吸附在驻极纤维上,同时不带电的粒子会在驻极体形成的电场中因感应而极化,也会被吸附在纤维上。传统熔喷材料本身孔径较大,需要采用添加静电的方式提高过滤效率,而静电受环境中温度湿度等影响,在短时间内就会失效,因而过滤效率急速降低,所以市场上用传统熔喷布生产的医用口罩只能一次性使用。

据仲兆祥介绍,纳米蛛网仿生膜材料因其孔隙率高、孔径小、过滤阻力低、过滤精度高的特点。它无需加静电,通过筛分作用截留污染物,能有效过滤99%以上的非油性颗粒,有效拦截各种固体气溶胶、飞沫和病毒,无需担心遇液体过滤效率降低的问题,同时具有良好的透气性,不会产生呼吸的不适感。

克服水洗、酒精消毒等障碍

目前,市场上大多数医用外科口罩都是一次性的,最长使用时间为四小时,KN95口罩虽然使用时间长一些,但也不能长期反复使用。这是因为通过荷电作用吸附污染物的熔喷材料,一旦遇水容易发生静电中和现象,会导致口罩过滤效率降低,因此用熔喷布生产的口罩在普通清洗后就无法重复利用。

“纳米蛛网仿生膜材料孔径小,主要通过物理作用截留污染物,无需担心遇液体效率降低的问题。” 仲兆祥团队的博士生武军伟表示,团队研究人员将膜材料在水中和75%酒精中浸泡多次后,过滤效率不受影响,均保持在99%以上,说明膜材料口罩可以用水清洗或者酒精消毒后重复使用,这样大大增加了口罩的利用率。

武军伟表示,他们从使用寿命、重复使用性和透气性等方面进行的多次对比实验结果表明,纳米蛛网仿生膜材料作为一种新型过滤材料,与传统熔喷材料对比,具有更加优异的截留及透气性能,因而能够重复使用,寿命更长。

还可用于医疗防护服、空气净化器

据介绍,南京工业大学化工学院膜科所研发的纳米蛛网仿生膜材料除了可用于制作口罩外,还可以用于医疗防护服、空气净化器等领域。

仲兆祥表示,基于纳米蛛网仿生膜材料制作的防护服,具有良好的抗菌拒水性能,是医疗防护中等级最高的医用防护服。它的特点是人体的汗气可以向外散发,而外面的水和细菌病毒等不能进入。“纳米蛛网仿生膜材料每平方厘米约有 10 亿个孔,孔隙率高达 90%以上,孔径为 0.2微米左右,是水滴直径的万分之一,但比水汽分子的尺寸大 700 倍左右。液态水进不来,汗气可以透出,从而能达到优异的防水透湿性。”

在工业领域,经过双疏改性的空气净化膜用于烟尘的超低排放控制,已经推广应用了上百套工程装备,产生经济效益二十多亿元。 目前,空气净化膜材料和膜法口罩已经在上百家单位使用,为坚持在防疫一线工作的人员提供了有力保障。

 
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