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杭电有位教授为“防疫重器”口罩操碎心 疫情期间仍“守”实验室做科研
2020-03-03 16:40:00
中国教育在线浙江站
  中国教育在线浙江站讯(记者 赵小倩 通讯员 楼威)口罩作为国家的“防疫重器”,个人的“护身符”,关系着社会的秩序和千家万户的安全。近段时间,在杭州电子科技大学,有这么一个人,在一个看起来毫不起眼的实验室里,为口罩“操碎了心”。
  为生产口罩赋能
  “口罩的神奇功能主要源于过滤层中所带的电荷。荷电无纺布的过滤效率是不荷电时的3倍以上。例如,未荷电时,无纺布对0.3μm粉尘的过滤效率一般只有30%左右,荷电后其过滤效率可以提高到95%以上。” 最近,网络与媒体中漫天都是关于口罩的介绍,但很少有人能将口罩的制作工艺、防护原理和储存使用方法说得这么清楚。杭电的陈钢进教授说起口罩及其中的原理“如数家珍”。
  2月中旬,陈钢进教授在学校封闭,严禁入内的“重防守”下,费了很大的劲才获得入校通行权,得以走进自己的实验室。他能获批进校园做科研,是因为,他要做的实验与“批量生产口罩”的“大事”相关。
  2月10日,浙江省委省政府出台《关于坚决打赢新冠肺炎疫情阻击战全力稳企业稳经济稳发展的若干意见》后,对人民急需的口罩,专门出台“三定两免”机制,确定省内9家服装生产企业朝口罩企业转型,后增加到15家。
  陈钢进教授带进实验室的,正是来自这些企业的口罩样品。“口罩虽是一个小商品,但在材质、技术、标准上有着特殊的要求。像万事利集团,虽然是省内纺织行业的知名企业,但他们对口罩生产也是新娘子上骄——头一回。”
  陈钢进教授要做的,就是将口罩样品中的过滤层拆下来,对其充电。然后,调试检验仪器,喷射气溶胶,检测充电后的过滤层,看其性能有没有提高到规定的标准。每个样品要做6次检测。“检测过滤效能的设备,很多机构都有,但目前省内,同时具有充电设备和检测手段的实验室,就我们一家。”
  “与我技术交流比较多的,是浙江省轻工业品质检院,他们是这批转型企业生产、技术、标准、检测的专业指导机构。他们承担着许多特殊时期的特殊任务:为企业提供标准培训、指导原材料质量检验把关,实现口罩的加快检测、指定特殊时期的口罩质量标准……这些都涉及到比较专业的内容,我也参与了讨论。”
  “据我所知,2月21日,浙江转产口罩企业日产量已经实现了从0到300万只的突破,口罩一次送检合格率也从70%提升到了100%。我为浙江速度感到骄傲。” 陈钢进说。
  小口罩关系大民生
  在口罩巨大缺口出现的第一时间,口罩聚焦了许多企业和相关科研与组织机构的注意力。当时,国内各地有责任感的企业,尤其是相近行业的企业,都思索着如何转型生产口罩,有许多企业、协会、俱乐部急切地想获取更多的专业知识。
  找陈钢进咨询的国内企业主及相关技术人员越来越多,一个个电话解答已经疲于应对。陈钢进干脆动手撰写了几份关于口罩及关键材料的科普小段,以及《口罩用荷电无纺布生产关键技术》等技术说明,发布在长三角非织造协会、中国过滤技术专家俱乐部、CRAA过滤器标准、IET Nanodielectrics、广东省洁净技术行业协会、应急-口罩用熔喷无纺布-标准研制群等群中,供需要的研究人员自取。
  “细菌和病毒在大气中一般不能独立存在,通常依附于粉尘或气溶胶上。当它们通过荷电的熔喷聚丙烯荷电无纺布时,由于受到吸附和阻挡,细菌和病毒就不能进入人体。另一方面,静电场本身具有杀菌、抗菌功能。由无纺布所带电荷产生的静电场会刺激细菌,使它们的蛋白质发生变异,损伤它们的细胞质及细胞膜,破坏它们的表面结构,导致它们死亡。”在《口罩的神奇功能》一文中,陈钢进用浅显易懂的语句,对口罩为什么能成为将受污染空气转变为清洁空气供人们呼吸的有效个体防护工具,进行了原理性的讲解。
  除了这些解答性的科普文,陈钢进出于长期对口罩研究的职业敏感,在疫情爆发初期,即撰写了《传染性病毒再次爆发,拿什么保护我们自身的安全? 我国呼吸防护口罩的生产、使用、管理的建议》呈交相关部门。
  “SARS和这次的新冠肺炎事件都告诉人们口罩的重要性。口罩市场不规范,会给传染病的防控带来潜在的具大危险。我希望自己的建议能被管理者和决策者看到,希望我们国家对材料技术、生产销售管理、医院采购、口罩相关国家和行业标准都能进行全面的升级。” 陈钢进说。
  口罩何以重复利用?
  在疫情爆发初期,和当前全面复工复厂带来的巨大口罩市场缺口面前,人们都希望通过重复使用口罩,来缓和需求紧张状况。
  陈钢进针对这个问题,专题撰写了科普文《口罩中的电荷》。文章先用物理学理论解答了“熔喷聚丙烯无纺布是如何荷电的?”“为什么口罩中的荷电具有稳定性?”随后通过阐述电荷如何消失的原理,讲解了口罩该如何保管与消毒:
  “良好包装是保持口罩性能的有效手段。在聚丙烯荷电无纺布的存储和使用过程中,大气中的气体分子和纳米、微纳米级粉尘粒子,会不断地到达聚丙烯纤维表面,表面电荷会被这些分子和粒子带走,使得熔喷聚丙烯驻极体无纺布的表面电荷发生衰减,其过滤性能也随之变差。这是口罩在存储过程中过滤性能慢慢下降的主要原因。”
  “用水蒸或浸泡,对口罩性能影响不大,这似乎令人难以理解,但这是个事实。其原因在于聚丙烯荷电无纺布的疏水性。水分子很难到达纤维表面,不会与纤维中的电荷发生作用。这也是口罩在佩戴过程中,能保持长效功能的原因。”
  上图为杭电炸天小分队制做,数据来自蔡杰博士组织的口罩试验志愿团队的《口罩材料的蒸煮烘试验报告》。样品#1为平面口罩半成品,样品#2为N95 口罩滤布,样品#5为N95 口罩滤布。
  清洗口罩时,不能用洗涤剂。“有机溶剂如酒精、异丙醇浸泡和熏蒸会造成口罩性能的下降。这可用自然界一个基本原理‘相似相容原理’来解释。不管是浸泡还是熏蒸,溶剂分子都会与聚丙烯分子产生相互作用。”
  在拿起理论武器的同时,陈钢进觉得用事实说话更靠谱。他参与了蔡杰博士组织的口罩试验志愿团队,与国内口罩和过滤材料重点生产厂家,进行了家用口罩消毒再使用可行性试验。
  实验数据呼应了他在科普文中的阐述:

  1.100℃的蒸、煮、烘三个手段,是口罩重复使用的有效手段。

  2.口罩浸水并干燥后,过滤性能基本不变。

  3.不同材质,对温度的敏感程度不同(质量、工艺、原材料、添加剂等决定)。

  4.清洗口罩时不能使用清洗剂。

  据了解,陈钢进所带领的驻极体及其应用实验室,对口罩的研究历时已久。实验室自2010年组建以来,始终坚持扎实研究“驻极体”(电荷完全不能流动的物质),完成了包括国家自然科学基金、浙江省重大科技专项在内的12项与驻极体有关的科研项目,在国内外学术期刊上发表了80多篇学术论文。获国家发明专利11项。在熔喷聚丙烯驻极体无纺布的研究方面,突破了电荷存储能力弱、稳定性差的瓶颈,实现了材料的低阻力、高效率、除尘灭菌多功能。所发表的关于口罩及相关内容论文已成为了当前口罩用空气净化材料研究关注的热点。
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