口罩看似常見，其使用的材料卻有大有講究，得同時(shí)滿足兩個(gè)看似矛盾的特性：能過濾細(xì)微顆粒物，同時(shí)又要做到透氣舒適。
日前，中科院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研制出可高效清除空氣PM2.5的新型過濾紙和口罩，對(duì)空氣PM2.5和PM10顆粒物的過濾效率均高于95%，同時(shí)透氣性良好。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)《材料化學(xué)期刊A》上（Journal of Materials Chemistry A），并申請(qǐng)一項(xiàng)發(fā)明專利。
資料圖
新型羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基過濾紙及以其作為濾芯材料的過濾口罩。
朱英杰在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）采訪時(shí)表示，“傳統(tǒng)的口罩主要用普通紗布、無紡布作為濾料，這些植物纖維比較粗，纖維之間孔隙比較大，對(duì)PM10以上的顆粒有比較好的過濾效果，但對(duì)PM2.5這樣的細(xì)顆粒物過濾效率就比較低了。”
PM2.5細(xì)顆粒物是指環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，其在空氣中的含量越高，空氣污染就越嚴(yán)重。通常顆粒物粒徑在大于2.5微米時(shí)，才能被鼻腔絨毛、鼻子或者普通防護(hù)口罩直接擋在外面。
在朱英杰團(tuán)隊(duì)此番研制的這款防護(hù)口罩中，采用羥基磷灰石（一種無機(jī)材料，也是骨骼和牙齒中的主要無機(jī)成分）超長(zhǎng)納米線作為主要構(gòu)建材料，再與植物纖維復(fù)合，從而形成多級(jí)復(fù)合孔道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在保持空氣PM2.5細(xì)顆粒物高過濾效率的同時(shí)，還可大大提高過濾紙的透氣性。
值得一提的是，朱英杰和羥基磷灰石已經(jīng)打交道近十年。2014年，朱英杰團(tuán)隊(duì)還成功制備出新型羥基磷灰石耐火紙，在科學(xué)界引起廣泛關(guān)注，堪稱“耐火紙之父”。
朱英杰在2002年1月入選中科院“百人計(jì)劃”回國(guó)工作，曾獲得過上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)，2014年、2015年和2016年連續(xù)3年入選Elsevier 發(fā)布的中國(guó)高被引學(xué)者榜，目前任中科院上海硅酸鹽研究所生物納米技術(shù)研究課題組組長(zhǎng)。
過濾效率高于95%
朱英杰提到，目前這款新型的羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基過濾紙，以及以該材料作為濾芯的過濾口罩，“是在之前羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線耐火紙的基礎(chǔ)上研制的”，仍然以羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線為主要構(gòu)建材料。
“羥基磷灰石其實(shí)是人體內(nèi)的材料，是典型的生物材料，生物相容性特別好，環(huán)境友好、無毒無害，而口罩是需要和人體接觸的，所以這個(gè)材料非常適合。”
選定主材料之后，面臨的首要問題是要滿足PM2.5防護(hù)口罩的過濾效率。“我們用羥基磷灰石做成新型過濾紙以后，納米線之間互相交織形成了三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，孔的尺寸是在納米級(jí)的，屬于納米孔。PM2.5顆粒粒徑比我們過濾紙孔的尺寸要大，會(huì)被攔截過不去，所以過濾效率是比較高的。”
當(dāng)然，單純滿足過濾效率也不是難題。“如果我們用100%的羥基磷灰石來制備口罩，PM2.5顧慮效率就能達(dá)到100%，但純納米線的過濾紙透氣性不是太好。”口罩的兩大最重要的性能，也就是過濾效率和透氣性。
“透氣性不好的話，人一旦戴上就會(huì)感到呼吸困難、胸悶等不舒服的感覺。”為平衡透氣性問題，研究團(tuán)隊(duì)引入植物纖維和羥基磷灰石納米線進(jìn)行復(fù)合。“均勻復(fù)合之后，就可以形成多級(jí)的孔道結(jié)構(gòu)。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，植物纖維的最佳比例在15%-20%，在這個(gè)最佳比例條件下，可以明顯地改善透氣性。”
朱英杰表示，“我們?cè)囼?yàn)中得出的過濾效率95%以上實(shí)際上是比較保守的，我們可以做到100%，但這里面有個(gè)矛盾，過濾效率越高，透氣性就變差了。我們是在做一個(gè)平衡，保證口罩的透氣性。”
研究還指出，該新型過濾紙?jiān)谥卸取⒅囟取?yán)重污染等不同程度的空氣污染環(huán)境中，對(duì)PM2.5細(xì)顆粒物的過濾效率均高于95%。此外，該新型過濾紙還可多次重復(fù)和長(zhǎng)時(shí)間使用，并有望作為高效濾芯材料應(yīng)用于空氣凈化器、空調(diào)等產(chǎn)品中。
朱英杰還強(qiáng)調(diào)，這款PM2.5防護(hù)口罩未來還可以同時(shí)具備抗菌作用。“加入一些抗菌劑進(jìn)行復(fù)合之后，就能對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見細(xì)菌具有高效抗菌活性。”值得注意的是，PM2.5細(xì)顆粒物在本身危害人體健康的同時(shí)，還可作為有毒有害物質(zhì)、病毒和細(xì)菌的有載體。
把產(chǎn)品和技術(shù)盡快產(chǎn)業(yè)化
要想真正發(fā)揮這款新型PM2.5防護(hù)口罩的作用，還必須推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化。 朱英杰透露，“我們正在向產(chǎn)業(yè)化方面努力，目前正在談合作的事情，下面就想跟企業(yè)合作，把我們的技術(shù)和產(chǎn)品盡快產(chǎn)業(yè)化。”
不過，產(chǎn)業(yè)化并非易事。上海一家納米口罩企業(yè)的一名人士對(duì)澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，“真正產(chǎn)業(yè)化會(huì)遇到技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)型等各方面的問題，大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室小批量實(shí)驗(yàn)是完全不同的，而且能不能大規(guī)模生產(chǎn)也需要考慮，如果需要花費(fèi)很高的成本去做，那就沒有任何競(jìng)爭(zhēng)力。”該人士同時(shí)強(qiáng)調(diào)，真正產(chǎn)業(yè)化的東西，當(dāng)然也需要在實(shí)驗(yàn)室潛心研究的，沒有實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累，也很難做成產(chǎn)業(yè)化。
該人士坦言，關(guān)于PM2.5防護(hù)口罩方面的研究，這兩年會(huì)有一個(gè)激增。“現(xiàn)在不光是新材料這一塊在研究，傳統(tǒng)的熔噴布也在進(jìn)步，過濾效果也越來越好，阻力（和透氣性相關(guān)）也越來越低。”
熔噴布是目前常見防塵口罩的核心過濾材料，是一種含有靜電駐極體的無紡布，纖維比一般無紡布細(xì)（直徑1-5微米），靠靜電吸附粉塵。美國(guó)多元化科技公司3M就是熔噴鼻祖，無論在工業(yè)領(lǐng)域還是現(xiàn)在的民用防霾口罩領(lǐng)域，3M口罩在市場(chǎng)的地位都不可撼動(dòng)。
然而，熔噴布一大致命缺點(diǎn)即靜電衰減，也就意味著口罩使用壽命短，這也是業(yè)內(nèi)一直研究的課題。朱英杰也提到，“熔噴布的缺點(diǎn)包括不易清潔、短時(shí)間使用后阻力上升快、呼吸不適等問題。”另外，朱英杰還認(rèn)為，熔噴布還存在不易實(shí)現(xiàn)多種功能于一體，如抗菌功能等其他缺點(diǎn)。
因此，眼下在防霾口罩領(lǐng)域的這塊新陣地中，新舊材料都在期待有番作為。就國(guó)內(nèi)而言，除中科院上海硅酸鹽研究所此番研制的成果之外，今年以來，相繼有浙江大學(xué)常州工業(yè)技術(shù)研究院、大連理工大學(xué)、武漢紡織大學(xué)等高校和機(jī)構(gòu)宣布研制成功防霾口罩。
大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)稱其采用靜電紡絲纖維膜制成濾芯的防霧霾口罩，對(duì)于PM2.5過濾效率近乎100%，對(duì)于直徑為0.3微米的空氣懸浮顆粒過濾效果也高達(dá)99%，并且如此高的過濾效率并沒有增加呼吸負(fù)擔(dān)。
值得注意的是，市場(chǎng)上的防霧霾口罩質(zhì)量實(shí)則參差不齊。朱英杰提高，“目前市場(chǎng)上所謂的PM2.5口罩大多存在的一個(gè)主要問題，就是過濾效率偏低，現(xiàn)在有的過濾口罩的過濾效率低于50%，甚至只有百分之十幾。還有一點(diǎn)就是透氣性比較差。”當(dāng)然，對(duì)于用于人直接使用的口罩，質(zhì)量指標(biāo)還包括甲醛、PH值、可分解致癌芳香氨染料、微生物等。
為規(guī)范市場(chǎng)和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2014年7月啟動(dòng)了GB/T 32610—2016標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目計(jì)劃，并于2016年4月25日正式發(fā)布，同年11月1日起正式實(shí)施。GB/T 32610—2016《日常防護(hù)型口罩技術(shù)規(guī)范》是中國(guó)首個(gè)民用防護(hù)口罩國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此前，僅制定了醫(yī)用及工業(yè)防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)。
