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科學防疫丨口罩荷電再生技術研究取得初步成效

近日,中國工程院院士、Engineering執行主編陳建峰帶領團隊,面向應急時期口罩重復使用的問題,開展“口罩荷電再生技術研究”并取得初步成效。僅靠普通家用電吹風機、電風扇、電子點火器就能讓“失效”的口罩“浴電重生”,這究竟是怎么一回事呢?

神奇的靜電吸附層

接受《中國科學報》采訪時,該研究技術負責人北京化工大學教授王丹正在家繼續著口罩的重復利用實驗。

王丹介紹:“整體看來,口罩過濾的原理主要是利用靜電吸附以及纖維排列后對超細顆粒和飛沫的阻隔,口罩中間的荷電層對于攜帶病毒細菌等的微粒或飛沫起到重要防護作用。”

以醫用外科口罩(普通3層平面無紡布口罩)為例,結構包括外層無紡布,防止液體飛濺及大顆粒物;中層靜電熔噴無紡布,即荷電層,利用靜電吸附作用有效阻隔微小顆粒,特別是攜帶納米級病毒的微粒或飛沫,實現對病毒等微粒的有效阻隔;內層無紡布,用于阻隔呼出的水汽。

為什么口罩用了一段時間就得廢棄?主要原因就在于口罩中層靜電過濾作用的失效。

原來,日常生活場景不同于醫院的手術室、病房,接觸到體液直接噴濺的情況比較少,除去由此直接帶來口罩的臟污之外,細菌病毒在靜電層的沉積、哈氣(水汽)對于荷電層靜電的消除都會損傷其過濾效果。這就可以解釋為何口罩佩戴一段時間后就會失效。

王丹形象地比喻道:“在干燥的環境下,很多人穿的毛衣都會產生靜電現象,靜電是很容易在這樣一些纖維材質的東西上面積累的。但是假如毛衣沾水,等同于口罩沾上了口中呼出的水汽,靜電就會消失。”

消耗完所有的靜電,也就等于透支了這只口罩的重要潛力。

陳建峰說:“應急之下若想重復使用口罩需要重點考慮兩點:一是如何殺死或者去除沉積到口罩上的細菌病毒;二是如何為中間靜電層補充靜電。”

王丹說:“口罩可重復使用的關鍵技術問題就是如何在不破壞口罩材料及微觀結構的情況下,重新將外界電荷轉移至中層無紡布。”

家用電器給口罩“充電”

日常生活中靜電無處不在,想要在家用條件下就能應急重復使用口罩,研究人員提出了采用便攜式靜電發生器對普通一次性醫用平面無紡布口罩進行二次荷電處理,使其再生靜電效應以達到可重復使用的技術方案。

王丹解釋其原理:“通俗來說,吹風機吹頭發,頭發會很蓬松就是一種靜電現象。那么吹風機鼓動空氣熱運動,理論上也可以累積靜電到口罩中間層為口罩‘充電’。”

首先,研究人員將使用后的一次性醫用無紡布口罩置于熱水中做消毒殺菌清潔處理,隨后采用電吹風機、電風扇、電子點火器等對“失效”的口罩進行吹干荷電處理,證實口罩可重新荷電而再生靜電效應。

基于此,研究人員提出應急時期一次性醫用無紡布口罩荷電再生導則,具體步驟如下:

1.將用過的一次性醫用無紡布口罩置于大于56 ℃熱水中浸泡30分鐘(參考《新型冠狀病毒肺炎防控方案(第四版)》56 ℃ 30分鐘可有效滅活病毒),通常沸水與室溫水(按20 ℃算)1:1混合后約為60度,為提高滅毒殺菌效果,可適當提高沸水比例;

2.將口罩從水中取出,甩掉表面液滴,平放在干燥的絕緣材質表面(如桌布、床單等),用電吹風機吹烘約10分鐘吹干并荷電,或用普通電風扇吹口罩約15分鐘,或用普通家用電子點火器對口罩進行全面覆蓋的“電擊”,通過口罩內部纖維的摩擦或外部放電等,使口罩材料重新荷電;

3.在絕緣桌面上灑一些碎紙屑,將荷電后的口罩平放并使外層接近碎紙屑,距離約1毫米但并未接觸時,可觀察到口罩對碎紙屑的靜電吸附現象,認為口罩荷電成功,可以再使用;如靜電吸附現象不明顯,則延長電吹風吹烘口罩的時間,再次通過“紙屑吸附”檢驗荷電情況,至荷電成功,可以再使用。

為進一步驗證采用家用器件使口罩重新荷電的可行性,研究人員向記者展示了用普通家用打火機拆下的點火器作為靜電發生器,在口罩特定部位進行“電擊”(范圍1cm × 1cm,約10秒)。結果同樣發現,“充電”后的口罩,可以吸附小紙屑,荷電效果顯著。

口罩佩戴過程荷電量檢測

研究人員對單位提供的口罩進行了荷電量的定量測試。

室內佩戴口罩15分鐘(安靜狀態),基于測量數據,及實際中口罩佩戴的體會,概述如下(見下圖):

(1) 口罩內層上側(a),荷電量明顯下降,分析是由于口罩在鼻梁處鼻子夾得緊,皮膚接觸處容易出汗,導致荷電量下降;口罩外側上側(a'),荷電量有輕微下降,可認為是鼻梁處水汽較多所致。

(2) 口罩內層左右兩側(b,d)荷電量也有所下降,分析也是由于皮膚接觸所致;口罩外層左右兩側(b',d'),荷電量有些微變化,不是特別明顯。

(3)發現口罩內外層的中間(e,e')及下側(c,c'),電量有顯著增加,分析是由于呼吸作用,導致口罩纖維等摩擦產生靜電(類似于吹風機或電風扇的作用)。實際佩戴口罩可以知道,中間部分與皮膚并不會直接接觸,佩戴者說話時,口罩下側摩擦運動較明顯,且氣流容易通過口罩下側縫隙漏出。室內安靜狀態下佩戴15分鐘,呼吸比較均勻、少量水汽對靜電層的破壞并不顯著,相反,空氣流動及摩擦反而使電荷密度有一定增加。可類比穿著毛衣時,積累靜電的過程。

將上述口罩繼續佩戴,但佩戴過程中在室內進行一定程度運動(仰臥起坐)達到出汗效果,15分鐘后摘下口罩可以發現,口罩內層有細水珠,外層也不是特別干爽,此時測量電荷:內層所有部位,電荷都接近于0,外層電荷也有顯著下降。特別是,外層上側鼻梁處,由于運動中摩擦較少,出汗較多,荷電量下降尤為顯著。

將該口罩放置1小時晾干,重新測量荷電量,與此前佩戴15分鐘(保持運動)后剛摘下的口罩荷電量檢測結果接近,與新口罩相比,荷電量顯著下降。

適用于較低風險暴露人員

不過,這種人工“充電”的口罩是否可以達到和出廠口罩同樣的防護效果?

面對記者的疑問,浙江藍禾醫療用品有限公司總經理曹軍解釋,用于口罩的熔噴布在生產過程中,多采用靜電駐極技術,其荷電量較大。“從物理本質上,兩次‘荷電’是同一回事,但電荷密度或有所不同。”

德國鼎衛科技有限公司研究人員丁浩旻博士告訴《中國科學報》,目前試驗測試表明該技術方案對水洗后的口罩進行二次荷電處理,可恢復其大部分的原有帶電量,保持良好的靜電攔截微粒能力。

“這是為解決非常時期口罩再生重復使用問題,提供的一種簡便易行的方法思路,目前僅針對普通一次性醫用平面防護口罩的重復使用。”王丹說。

研究人員特別強調,再生口罩作為非常時期應急之用,適用于較低風險暴露人員重復使用。不推薦用于密切接觸患者的人群、醫護人員及實驗室工作人員。

來源:央視網

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