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中国“耐火纸之父”研制防霾口罩:PM2.5过滤率超95%

日期: 2017-10-30
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口罩看似常见,其使用的材料却有大有讲究,得同时满足两个看似矛盾的特性:能过滤细微颗粒物,同时又要做到透气舒适。 

日前,中科院上海硅酸盐研究所研究员朱英杰带领的科研团队研制出可高效清除空气PM2.5的新型过滤纸和口罩,对空气PM2.5和PM10颗粒物的过滤效率均高于95%,同时透气性良好。相关研究结果发表在英国皇家化学会《材料化学期刊A》上 (Journal of Materials Chemistry A),并申请一项发明专利。

中国“耐火纸之父”研制防霾口罩:PM2.5过滤率超95%

朱英杰在接受采访时表示,“传统的口罩主要用普通纱布、无纺布作为滤料,这些植物纤维比较粗,纤维之间孔隙比较大,对PM10以上的颗粒有比较好的过滤效果,但对PM2.5这样的细颗粒物过滤效率就比较低了。” 

PM2.5细颗粒物是指环境空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物,其在空气中的含量越高,空气污染就越严重。通常颗粒物粒径在大于2.5微米时,才能被鼻腔绒毛、鼻子或者普通防护口罩直接挡在外面。 

在朱英杰团队此番研制的这款防护口罩中,采用羟基磷灰石(一种无机材料,也是骨骼和牙齿中的主要无机成分)超长纳米线作为主要构建材料,再与植物纤维复合,从而形成多级复合孔道结构,实现了在保持空气PM2.5细颗粒物高过滤效率的同时,还可大大提高过滤纸的透气性。 

值得一提的是,朱英杰和羟基磷灰石已经打交道近十年。2014年,朱英杰团队还成功制备出新型羟基磷灰石耐火纸,在科学界引起广泛关注,堪称“耐火纸之父”。 

朱英杰在2002年1月入选中科院“百人计划”回国工作,曾获得过上海市自然科学一等奖等荣誉,2014年、2015年和2016年连续3年入选Elsevier 发布的中国高被引学者榜,目前任中科院上海硅酸盐研究所生物纳米技术研究课题组组长。

过滤效率高于95% 

朱英杰提到,目前这款新型的羟基磷灰石超长纳米线基过滤纸,以及以该材料作为滤芯的过滤口罩,“是在之前羟基磷灰石超长纳米线耐火纸的基础上研制的”,仍然以羟基磷灰石超长纳米线为主要构建材料。 

“羟基磷灰石其实是人体内的材料,是典型的生物材料,生物相容性特别好,环境友好、无毒无害,而口罩是需要和人体接触的,所以这个材料非常适合。” 

选定主材料之后,面临的首要问题是要满足PM2.5防护口罩的过滤效率。“我们用羟基磷灰石做成新型过滤纸以后,纳米线之间互相交织形成了三维网络多孔结构,孔的尺寸是在纳米级的,属于纳米孔。PM2.5颗粒粒径比我们过滤纸孔的尺寸要大,会被拦截过不去,所以过滤效率是比较高的。” 

当然,单纯满足过滤效率也不是难题。“如果我们用100%的羟基磷灰石来制备口罩,PM2.5顾虑效率就能达到100%,但纯纳米线的过滤纸透气性不是太好。”口罩的两大最重要的性能,也就是过滤效率和透气性。 

“透气性不好的话,人一旦戴上就会感到呼吸困难、胸闷等不舒服的感觉。”为平衡透气性问题,研究团队引入植物纤维和羟基磷灰石纳米线进行复合。“均匀复合之后,就可以形成多级的孔道结构。我们的实验结果表明,植物纤维的最佳比例在15%-20%,在这个最佳比例条件下,可以明显地改善透气性。” 

朱英杰表示,“我们试验中得出的过滤效率95%以上实际上是比较保守的,我们可以做到100%,但这里面有个矛盾,过滤效率越高,透气性就变差了。我们是在做一个平衡,保证口罩的透气性。” 

研究还指出,该新型过滤纸在中度、重度、严重污染等不同程度的空气污染环境中,对PM2.5细颗粒物的过滤效率均高于95%。此外,该新型过滤纸还可多次重复和长时间使用,并有望作为高效滤芯材料应用于空气净化器、空调等产品中。 

朱英杰还强调,这款PM2.5防护口罩未来还可以同时具备抗菌作用。“加入一些抗菌剂进行复合之后,就能对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等常见细菌具有高效抗菌活性。”值得注意的是,PM2.5细颗粒物在本身危害人体健康的同时,还可作为有毒有害物质、病毒和细菌的有载体。 

把产品和技术尽快产业化 

要想真正发挥这款新型PM2.5防护口罩的作用,还必须推动其产业化。 朱英杰透露,“我们正在向产业化方面努力,目前正在谈合作的事情,下面就想跟企业合作,把我们的技术和产品尽快产业化。” 

不过,产业化并非易事。上海一家纳米口罩企业的一名人士表示,“真正产业化会遇到技术性、经济型等各方面的问题,大规模生产和实验室小批量实验是完全不同的,而且能不能大规模生产也需要考虑,如果需要花费很高的成本去做,那就没有任何竞争力。”该人士同时强调,真正产业化的东西,当然也需要在实验室潜心研究的,没有实验室的数据和经验积累,也很难做成产业化。 

该人士坦言,关于PM2.5防护口罩方面的研究,这两年会有一个激增。“现在不光是新材料这一块在研究,传统的熔喷布也在进步,过滤效果也越来越好,阻力(和透气性相关)也越来越低。” 

熔喷布是目前常见防尘口罩的核心过滤材料,是一种含有静电驻极体的无纺布,纤维比一般无纺布细(直径1-5微米),靠静电吸附粉尘。美国多元化科技公司3M就是熔喷鼻祖,无论在工业领域还是现在的民用防霾口罩领域,3M口罩在市场的地位都不可撼动。 

然而,熔喷布一大致命缺点即静电衰减,也就意味着口罩使用寿命短,这也是业内一直研究的课题。朱英杰也提到,“熔喷布的缺点包括不易清洁、短时间使用后阻力上升快、呼吸不适等问题。”另外,朱英杰还认为,熔喷布还存在不易实现多种功能于一体,如抗菌功能等其他缺点。

因此,眼下在防霾口罩领域的这块新阵地中,新旧材料都在期待有番作为。就国内而言,除中科院上海硅酸盐研究所此番研制的成果之外,今年以来,相继有浙江大学常州工业技术研究院、大连理工大学、武汉纺织大学等高校和机构宣布研制成功防霾口罩。 

大连理工大学团队称其采用静电纺丝纤维膜制成滤芯的防雾霾口罩,对于PM2.5过滤效率近乎100%,对于直径为0.3微米的空气悬浮颗粒过滤效果也高达99%,并且如此高的过滤效率并没有增加呼吸负担。 

值得注意的是,市场上的防雾霾口罩质量实则参差不齐。朱英杰提高,“目前市场上所谓的PM2.5口罩大多存在的一个主要问题,就是过滤效率偏低,现在有的过滤口罩的过滤效率低于50%,甚至只有百分之十几。还有一点就是透气性比较差。”当然,对于用于人直接使用的口罩,质量指标还包括甲醛、PH值、可分解致癌芳香氨染料、微生物等。 

为规范市场和行业竞争,国家标准化管理委员会于2014年7月启动了GB/T 32610—2016标准制定项目计划,并于2016年4月25日正式发布,同年11月1日起正式实施。GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》是中国首个民用防护口罩国家标准。此前,仅制定了医用及工业防护口罩标准。

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