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科学防疫:口罩荷电再生技术研究取得初步成效
来源:中国工程院院刊微信公众号 2020/02/21 08:36:48
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导读: 近日,中国工程院院士、Engineering执行主编陈建峰带领团队,面向应急时期口罩重复使用的问题,开展“口罩荷电再生技术研究”并取得初步成效。

科学防疫丨口罩荷电再生技术研究取得初步成效

近日,中国工程院院士、Engineering执行主编陈建峰带领团队,面向应急时期口罩重复使用的问题,开展“口罩荷电再生技术研究”并取得初步成效。仅靠普通家用电吹风机、电风扇、电子点火器就能让“失效”的口罩“浴电重生”,这究竟是怎么一回事呢?神奇的静电吸附层

接受《中国科学报》采访时,该研究技术负责人北京化工大学教授王丹正在家继续着口罩的重复利用实验。

王丹介绍:“整体看来,口罩过滤的原理主要是利用静电吸附以及纤维排列后对超细颗粒和飞沫的阻隔,口罩中间的荷电层对于携带病毒细菌等的微粒或飞沫起到重要防护作用。”

以医用外科口罩(普通3层平面无纺布口罩)为例,结构包括外层无纺布,防止液体飞溅及大颗粒物;中层静电熔喷无纺布,即荷电层,利用静电吸附作用有效阻隔微小颗粒,特别是携带纳米级病毒的微粒或飞沫,实现对病毒等微粒的有效阻隔;内层无纺布,用于阻隔呼出的水汽。

为什么口罩用了一段时间就得废弃?主要原因就在于口罩中层静电过滤作用的失效。

原来,日常生活场景不同于医院的手术室、病房,接触到体液直接喷溅的情况比较少,除去由此直接带来口罩的脏污之外,细菌病毒在静电层的沉积、哈气(水汽)对于荷电层静电的消除都会损伤其过滤效果。这就可以解释为何口罩佩戴一段时间后就会失效。

王丹形象地比喻道:“在干燥的环境下,很多人穿的毛衣都会产生静电现象,静电是很容易在这样一些纤维材质的东西上面积累的。但是假如毛衣沾水,等同于口罩沾上了口中呼出的水汽,静电就会消失。”

消耗完所有的静电,也就等于透支了这只口罩的重要潜力。

陈建峰说:“应急之下若想重复使用口罩需要重点考虑两点:一是如何杀死或者去除沉积到口罩上的细菌病毒;二是如何为中间静电层补充静电。”

王丹说:“口罩可重复使用的关键技术问题就是如何在不破坏口罩材料及微观结构的情况下,重新将外界电荷转移至中层无纺布。”

家用电器给口罩“充电”

日常生活中静电无处不在,想要在家用条件下就能应急重复使用口罩,研究人员提出了采用便携式静电发生器对普通一次性医用平面无纺布口罩进行二次荷电处理,使其再生静电效应以达到可重复使用的技术方案。

王丹解释其原理:“通俗来说,吹风机吹头发,头发会很蓬松就是一种静电现象。那么吹风机鼓动空气热运动,理论上也可以累积静电到口罩中间层为口罩‘充电’。”

首先,研究人员将使用后的一次性医用无纺布口罩置于热水中做消毒杀菌清洁处理,随后采用电吹风机、电风扇、电子点火器等对“失效”的口罩进行吹干荷电处理,证实口罩可重新荷电而再生静电效应。

基于此,研究人员提出应急时期一次性医用无纺布口罩荷电再生导则,具体步骤如下:

1.将用过的一次性医用无纺布口罩置于大于56 ℃热水中浸泡30分钟(参考《新型冠状病毒肺炎防控方案(第四版)》56 ℃ 30分钟可有效灭活病毒),通常沸水与室温水(按20 ℃算)1:1混合后约为60度,为提高灭毒杀菌效果,可适当提高沸水比例;

2.将口罩从水中取出,甩掉表面液滴,平放在干燥的绝缘材质表面(如桌布、床单等),用电吹风机吹烘约10分钟吹干并荷电,或用普通电风扇吹口罩约15分钟,或用普通家用电子点火器对口罩进行全面覆盖的“电击”,通过口罩内部纤维的摩擦或外部放电等,使口罩材料重新荷电;

3.在绝缘桌面上洒一些碎纸屑,将荷电后的口罩平放并使外层接近碎纸屑,距离约1毫米但并未接触时,可观察到口罩对碎纸屑的静电吸附现象,认为口罩荷电成功,可以再使用;如静电吸附现象不明显,则延长电吹风吹烘口罩的时间,再次通过“纸屑吸附”检验荷电情况,至荷电成功,可以再使用。

为进一步验证采用家用器件使口罩重新荷电的可行性,研究人员向记者展示了用普通家用打火机拆下的点火器作为静电发生器,在口罩特定部位进行“电击”(范围1cm × 1cm,约10秒)。结果同样发现,“充电”后的口罩,可以吸附小纸屑,荷电效果显著。

口罩佩戴过程荷电量检测

研究人员对单位提供的口罩进行了荷电量的定量测试。

室内佩戴口罩15分钟(安静状态),基于测量数据,及实际中口罩佩戴的体会,概述如下(见下图):

(1) 口罩内层上侧(a),荷电量明显下降,分析是由于口罩在鼻梁处鼻子夹得紧,皮肤接触处容易出汗,导致荷电量下降;口罩外侧上侧(a'),荷电量有轻微下降,可认为是鼻梁处水汽较多所致。

(2) 口罩内层左右两侧(b,d)荷电量也有所下降,分析也是由于皮肤接触所致;口罩外层左右两侧(b',d'),荷电量有些微变化,不是特别明显。

(3)发现口罩内外层的中间(e,e')及下侧(c,c'),电量有显著增加,分析是由于呼吸作用,导致口罩纤维等摩擦产生静电(类似于吹风机或电风扇的作用)。实际佩戴口罩可以知道,中间部分与皮肤并不会直接接触,佩戴者说话时,口罩下侧摩擦运动较明显,且气流容易通过口罩下侧缝隙漏出。室内安静状态下佩戴15分钟,呼吸比较均匀、少量水汽对静电层的破坏并不显著,相反,空气流动及摩擦反而使电荷密度有一定增加。可类比穿着毛衣时,积累静电的过程。

将上述口罩继续佩戴,但佩戴过程中在室内进行一定程度运动(仰卧起坐)达到出汗效果,15分钟后摘下口罩可以发现,口罩内层有细水珠,外层也不是特别干爽,此时测量电荷:内层所有部位,电荷都接近于0,外层电荷也有显著下降。特别是,外层上侧鼻梁处,由于运动中摩擦较少,出汗较多,荷电量下降尤为显著。

将该口罩放置1小时晾干,重新测量荷电量,与此前佩戴15分钟(保持运动)后刚摘下的口罩荷电量检测结果接近,与新口罩相比,荷电量显著下降。

适用于较低风险暴露人员

不过,这种人工“充电”的口罩是否可以达到和出厂口罩同样的防护效果?

面对记者的疑问,浙江蓝禾医疗用品有限公司总经理曹军解释,用于口罩的熔喷布在生产过程中,多采用静电驻极技术,其荷电量较大。“从物理本质上,两次‘荷电’是同一回事,但电荷密度或有所不同。”

德国鼎卫科技有限公司研究人员丁浩旻博士告诉《中国科学报》,目前试验测试表明该技术方案对水洗后的口罩进行二次荷电处理,可恢复其大部分的原有带电量,保持良好的静电拦截微粒能力。

“这是为解决非常时期口罩再生重复使用问题,提供的一种简便易行的方法思路,目前仅针对普通一次性医用平面防护口罩的重复使用。”王丹说。

研究人员特别强调,再生口罩作为非常时期应急之用,适用于较低风险暴露人员重复使用。不推荐用于密切接触患者的人群、医护人员及实验室工作人员。

(原题为《科学防疫丨口罩荷电再生技术研究》)

原标题:科学防疫:口罩荷电再生技术研究取得初步成效

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