中國(guó)工程院院士、Engineering執(zhí)行主編陳建峰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，面向應(yīng)急時(shí)期口罩重復(fù)使用的問(wèn)題，開(kāi)展“口罩荷電再生技術(shù)研究”并取得初步成效。僅靠普通家用電吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇、電子點(diǎn)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(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，該研究技術(shù)負(fù)責(zé)人北京化工大學(xué)教授王丹正在家繼續(xù)著口罩的重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)。
王丹介紹：“整體看來(lái)，口罩過(guò)濾的原理主要是利用靜電吸附以及纖維排列后對(duì)超細(xì)顆粒和飛沫的阻隔，口罩中間的荷電層對(duì)于攜帶病毒細(xì)菌等的微粒或飛沫起到重要防護(hù)作用。”
以醫(yī)用外科口罩(普通3層平面無(wú)紡布口罩)為例，結(jié)構(gòu)包括外層無(wú)紡布，防止液體飛濺及大顆粒物；中層靜電熔噴無(wú)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(jí)病毒的微粒或飛沫，實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒等微粒的有效阻隔；內(nèi)層無(wú)紡布，用于阻隔呼出的水汽。
為什么口罩用了一段時(shí)間就得廢棄？主要原因就在于口罩中層靜電過(guò)濾作用的失效。
原來(lái)，日常生活場(chǎng)景不同于醫(yī)院的手術(shù)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(lái)口罩的臟污之外，細(xì)菌病毒在靜電層的沉積、哈氣(水汽)對(duì)于荷電層靜電的消除都會(huì)損傷其過(guò)濾效果。這就可以解釋為何口罩佩戴一段時(shí)間后就會(huì)失效。
王丹形象地比喻道：“在干燥的環(huán)境下，很多人穿的毛衣都會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，靜電是很容易在這樣一些纖維材質(zhì)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(huì)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(shuō)：“應(yīng)急之下若想重復(fù)使用口罩需要重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：一是如何殺死或者去除沉積到口罩上的細(xì)菌病毒；二是如何為中間靜電層補(bǔ)充靜電。”
王丹說(shuō)：“口罩可重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題就是如何在不破壞口罩材料及微觀結(jié)構(gòu)的情況下，重新將外界電荷轉(zhuǎn)移至中層無(wú)紡布。”
家用電器給口罩“充電”
日常生活中靜電無(wú)處不在，想要在家用條件下就能應(yīng)急重復(fù)使用口罩，研究人員提出了采用便攜式靜電發(fā)生器對(duì)普通一次性醫(yī)用平面無(wú)紡布口罩進(jìn)行二次荷電處理，使其再生靜電效應(yīng)以達(dá)到可重復(fù)使用的技術(shù)方案。
王丹解釋其原理：“通俗來(lái)說(shuō)，吹風(fēng)機(jī)吹頭發(fā)，頭發(fā)會(huì)很蓬松就是一種靜電現(xiàn)象。那么吹風(fēng)機(jī)鼓動(dòng)空氣熱運(yùn)動(dòng)，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(yī)用無(wú)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(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇、電子點(diǎn)火器等對(duì)“失效”的口罩進(jìn)行吹干荷電處理，證實(shí)口罩可重新荷電而再生靜電效應(yīng)。
基于此，研究人員提出應(yīng)急時(shí)期一次性醫(yī)用無(wú)紡布口罩荷電再生導(dǎo)則，具體步驟如下：
1.將用過(guò)的一次性醫(yī)用無(wú)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(dāng)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(zhì)表面(如桌布、床單等)，用電吹風(fēng)機(jī)吹烘約10分鐘吹干并荷電，或用普通電風(fēng)扇吹口罩約15分鐘，或用普通家用電子點(diǎn)火器對(duì)口罩進(jìn)行全面覆蓋的“電擊”，通過(guò)口罩內(nèi)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(shí)，可觀察到口罩對(duì)碎紙屑的靜電吸附現(xiàn)象，認(rèn)為口罩荷電成功，可以再使用；如靜電吸附現(xiàn)象不明顯，則延長(zhǎng)電吹風(fēng)吹烘口罩的時(shí)間，再次通過(guò)“紙屑吸附”檢驗(yàn)荷電情況，至荷電成功，可以再使用。
為進(jìn)一步驗(yàn)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(jī)拆下的點(diǎn)火器作為靜電發(fā)生器，在口罩特定部位進(jìn)行“電擊”(范圍1cm × 1cm，約10秒)。結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，“充電”后的口罩，可以吸附小紙屑，荷電效果顯著。
口罩佩戴過(guò)程荷電量檢測(cè)
研究人員對(duì)單位提供的口罩進(jìn)行了荷電量的定量測(cè)試。
室內(nèi)佩戴口罩15分鐘(安靜狀態(tài))，基于測(cè)量數(shù)據(jù)，及實(shí)際中口罩佩戴的體會(huì)，概述如下(見(jiàn)下圖)：
(1) 口罩內(nèi)層上側(cè)(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(dǎo)致荷電量下降；口罩外側(cè)上側(cè)(a')，荷電量有輕微下降，可認(rèn)為是鼻梁處水汽較多所致。
(2) 口罩內(nèi)層左右兩側(cè)(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(cè)(b',d')，荷電量有些微變化，不是特別明顯。
(3)發(fā)現(xiàn)口罩內(nèi)外層的中間(e,e')及下側(cè)(c,c')，電量有顯著增加，分析是由于呼吸作用，導(dǎo)致口罩纖維等摩擦產(chǎn)生靜電(類似于吹風(fēng)機(jī)或電風(fēng)扇的作用)。實(shí)際佩戴口罩可以知道，中間部分與皮膚并不會(huì)直接接觸，佩戴者說(shuō)話時(shí)，口罩下側(cè)摩擦運(yùn)動(dòng)較明顯，且氣流容易通過(guò)口罩下側(cè)縫隙漏出。室內(nèi)安靜狀態(tài)下佩戴15分鐘，呼吸比較均勻、少量水汽對(duì)靜電層的破壞并不顯著，相反，空氣流動(dòng)及摩擦反而使電荷密度有一定增加。可類比穿著毛衣時(shí)，積累靜電的過(guò)程。
將上述口罩繼續(xù)佩戴，但佩戴過(guò)程中在室內(nèi)進(jìn)行一定程度運(yùn)動(dòng)(仰臥起坐)達(dá)到出汗效果，15分鐘后摘下口罩可以發(fā)現(xiàn)，口罩內(nèi)層有細(xì)水珠，外層也不是特別干爽，此時(shí)測(cè)量電荷：內(nèi)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(cè)鼻梁處，由于運(yùn)動(dòng)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(shí)晾干，重新測(cè)量荷電量，與此前佩戴15分鐘(保持運(yùn)動(dòng))后剛摘下的口罩荷電量檢測(cè)結(jié)果接近，與新口罩相比，荷電量顯著下降。
適用于較低風(fēng)險(xiǎn)暴露人員
不過(guò)，這種人工“充電”的口罩是否可以達(dá)到和出廠口罩同樣的防護(hù)效果？
面對(duì)記者的疑問(wèn)，浙江藍(lán)禾醫(yī)療用品有限公司總經(jīng)理曹軍解釋，用于口罩的熔噴布在生產(chǎn)過(guò)程中，多采用靜電駐極技術(shù)，其荷電量較大。“從物理本質(zhì)上，兩次‘荷電’是同一回事，但電荷密度或有所不同。”
德國(guó)鼎衛(wèi)科技有限公司研究人員丁浩旻博士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前試驗(yàn)測(cè)試表明該技術(shù)方案對(duì)水洗后的口罩進(jìn)行二次荷電處理，可恢復(fù)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(shí)期口罩再生重復(fù)使用問(wèn)題，提供的一種簡(jiǎn)便易行的方法思路，目前僅針對(duì)普通一次性醫(yī)用平面防護(hù)口罩的重復(fù)使用。”王丹說(shuō)。
研究人員特別強(qiáng)調(diào)，再生口罩作為非常時(shí)期應(yīng)急之用，適用于較低風(fēng)險(xiǎn)暴露人員重復(fù)使用。不推薦用于密切接觸患者的人群、醫(yī)護(hù)人員及實(shí)驗(yàn)室工作人員。
(原題為《科學(xué)防疫丨口罩荷電再生技術(shù)研究》)
