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筑起阻隔病毒的關鍵防線——細說口罩中的合成樹脂材料

  編者按 在來勢洶洶的新型冠狀病毒感染的肺炎疫情面前,口罩、護目鏡、防護服的原材料,消毒液、洗手液的主要成分,以及病毒基因檢測試劑和預防類藥品等,成為了頗受關注的對象。支撐這些防護物資的原料如聚丙烯、乙醇等等,都是化工產品。他們名字雖然平平無奇,日常生活中也隨手可見,卻在這個最關鍵的時刻,為保衛人民的健康安全筑起了一道道防線。本版從今日起推出《抗擊疫情的化工衛士》系列報道,將這些阻擊疫情、護衛人民的化工產品一一呈現。

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  新型冠狀病毒感染的肺炎疫情發生以來,戴口罩成為最直接有效的防控方法之一。隨著感染病例的不斷增加,大家對戴口罩的自我防護意識空前提高,國內各大便利店、藥房等零售渠道的口罩產品被搶購一空,電商平臺也大多處在缺貨、下架狀態,同時國內定點生產商也在加班加點生產,滿足群眾防護需要。

  那么,目前常用口罩是怎樣的結構和成分,對病毒有無阻隔效果?生產原料與化工有何關系,能否滿足市場需求?佩戴口罩有何講究,市面上的各類口罩應該如何選擇呢?

  口罩筑起重要防線

  新型冠狀病毒主要通過咳嗽或打噴嚏飛沫傳播。鑒于這種傳播方式,大多數病例的感染途徑均與病毒載體直接接觸有關。國家衛健委發布權威口罩使用指南中強調,口罩是預防呼吸道傳染病的重要防線,可以降低新型冠狀病毒感染風險。

  目前,我國醫用口罩主要分為三種:一是防護級別最高的N95醫用防護口罩,二是在手術室等有創傷操作環境常用的醫用外科口罩,三是只能一次性使用的普通級別的脫脂紗布醫用口罩。其中N95口罩可以阻擋95%的細菌,醫用外科口罩可以阻擋70%的細菌,而一次性醫用口罩只能阻擋36%的細菌,因此防范新冠狀病毒應該選擇前兩種口罩,而且4個小時左右就要更換一次。

  N95型口罩,是美國國家職業安全衛生研究所(NIOSH)認證的9種防顆粒物口罩中的一種,可用于職業性呼吸防護,包括某些微生物顆粒,如病毒、細菌、霉菌、炭疽桿菌、結核桿菌等。

  國家YY0469-2004《醫用外科口罩技術要求》標準規定,醫用外科口罩須達到的重要技術指標,包括過濾效率、細菌過濾效率和呼吸阻力。過濾效率規定,在空氣流量(30±2)L/min條件下,對空氣動力學中值直徑(0.24±0.06)微米氯化鈉氣溶膠的過濾效率不低于30%;細菌過濾效率規定,對平均顆粒直徑為(3±0.3)微米的金黃色葡萄球菌氣溶膠的過濾效率不低于95%;呼吸阻力規定,在過濾效率流量條件下,吸氣阻力不超過49Pa,呼氣阻力不超過29.4Pa。

  熔噴無紡布阻擋病毒

  給醫用口罩帶來病毒過濾作用的主要材料就是極細密且帶靜電的內層過濾布——熔噴無紡布。從口罩用料上來看,聚丙烯高熔指無紡布專用料是目前的最佳選擇。

  所謂無紡布(專業術語是非織造布),是相對紡織品而言的,由定向的或隨機的纖維構成。熔噴無紡布的主要材質是五大通用合成樹脂之一的聚丙烯。熔體質量流動速率在33~41克/分鐘的聚丙烯產品,即達到醫用衛生材料聚丙烯無紡布標準。這種超細靜電纖維布,可以捕捉粉塵,含有肺炎病毒的飛沫靠近熔噴無紡布后,會被靜電吸附在無紡布表面,無法透過。這就是這種材料隔絕病菌的原理。

  目前的醫用口罩一般都是三層結構,簡稱為SMS結構。外層為無紡布或超薄聚丙烯熔噴材料層,具有防飛沫設計;中層為超細聚丙烯纖維熔噴材料層,有阻隔過濾作用;內層為普通衛生紗布或無紡布,可以吸濕。三層中最重要的是阻隔層,也就是熔噴層,這層高熔纖維直徑比較細,在2微米左右,對防止細菌、血液滲透其至關重要的作用。一般帶有細菌的懸浮顆粒、液體和血液都無法傳過中間的熔噴層,而氣體和水蒸氣則能通過三層結構。

  不管是防塵還是醫用口罩,都是靠靜電吸附來達到過濾功能的。由于粉塵被超細靜電纖維捕捉住后,極不易因清洗而脫離,且水洗亦會被破壞靜電的吸塵能力,因此這種口罩只能一次性使用。但是,拿酒精噴涂,在起到一定殺菌效果的同時,應該還可以延長使用壽命。

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  聚丙烯纖維當立首功

  無紡布生產用纖維主要是丙綸、滌綸,還有錦綸、粘膠纖維、腈綸、乙綸、氯綸。而醫用無紡布產品是利用化學纖維包括聚酯、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、碳纖維和玻璃纖維制成的醫療衛生用紡織品。與傳統的純棉機織醫用紡織品相比,醫用非織造織物具有對細菌、塵埃過濾性高、手術感染率低、消毒滅菌方便、易于與其他材料復合等特點。醫用非織造產品作為用即棄的一次性用品,不僅使用便利,安全衛生,還能有效地防止細菌感染和醫原性交叉感染。

  聚丙烯樹脂是五大通用合成樹脂(聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS)之一,以丙烯為原料,乙烯為共聚單體通過聚合反應生產制得。中國工業化的丙烯生產路線主要有石化路線(蒸汽裂解、催化裂化)、煤化工(CTO、MTO、MTP)和丙烷脫氫(PDH)。其中丙烷脫氫的原材料就是丙烷;丙烯是煉油和天然氣加工的副產品。在煉油過程中,乙烯、丙烯等化合物可以由裂化相對分子質量較大的烴而產生。

  根據卓創數據統計,聚丙烯纖維占聚丙烯下游需求的10%左右,2019年國內聚丙烯纖維料產量約170萬噸左右,同比增長7.5%。其中高熔指(35左右)95萬噸,同比增長15.8%;中熔(25左右)77萬噸,和去年基本持平。

  卓創資訊分析師寧曉琴表示,聚丙烯纖維料的下游應用領域非常較為廣泛,其中無紡布占比70%。無紡布的應用分為兩個部分:包材(包裝用)和衛材(醫療、衛生用品),高熔纖維主要用在衛材領域。而衛材領域涉及產品比較多,不僅有口罩,還有尿布、衛生巾、醫療繃帶、襯布等。

  石油路線產品仍占主導

  

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獨山子石化生產的口罩用料聚丙烯S2040下線。(李秦 攝)

  有數據顯示,1噸高熔指聚丙烯纖維料可生產大約25萬只防護口罩或5000套防護服,2018年全國生產了各類口罩45.4億只,口罩用材僅占高熔纖維料供應的3%左右。

  據了解,目前國內高熔指纖維生產企業共31家,主要集中在中石化和中石油。其中,中石化高熔占比26%,中石油高熔占比37%。煤化工及地方企業高熔纖維產量基數雖不高,但增幅亦比較明顯。

  從具體數據來看,大連有機H39S-2、上海賽科S2040、獨山子石化S2040、洛陽石化Y35、濟南煉廠Y35、鎮海煉化H30S、東華Y381H占據高熔纖維主力供應企業。

  其中,獨山子石化自主研發的聚丙烯S2040具有高熔指性、力學強度好和分布窄等特點,產品性能穩定,一直獲得醫用無紡布廠的追捧。獨石化在聚丙烯S2040生產方面經驗成熟,是國內高熔纖維主力生產企業之一,2019年銷量達到10.4萬噸。該公司從1月23日開始,聚丙烯S2040產量由每小時23噸調整為26噸,日均產量624噸。目前,乙烯廠生產車間積極做好聚丙烯S2040“三劑”準備和反應器參數的調節等工作。

  中國石化青島煉化在聚丙烯醫衛無紡布專用料生產方面經驗成熟,是國內高熔纖維主力生產企業之一,其開發的無紡布專用料PPH-Y38Q、PPH-Y38QH具有高立構規整度、窄相對分子質量分布、低灰分、低凝膠、低魚眼數等特點,產品性能穩定,主要適用于制造衛材級無紡布(醫用防護口罩、防護服等產品)。目前,青島煉化聚丙烯裝置無紡布專用料PPH-Y38Q產量由每小時21噸調整為24噸,日均產量近600噸。

  此外,作為國內市場占有率名列前茅的專業口罩濾材研發生產企業,天津泰達潔凈材料有限公司相關負責人介紹,在市面上的口罩無論N90/N95或其他口罩生產材料都是聚丙乙烯顆粒,區別就是在于生產難度。比如市面上缺少的N95,生產難度會更大,產能也就更低。口罩濾材生產之后還要送到實驗室來保證口罩質量。據該公司口罩濾材實驗室工作人員介紹,該公司產品可以達到美國95級和歐盟P1P2級別標準,同時也能滿足國標的系列要求,生產的口罩濾材完全能夠達到甚至超越N95級別。特別是在全自動檢測過程中一般要求穿透率低于12%才是合格產品,而天津泰達潔凈公司則制定了更為嚴格的標準,8%以下才算合格產品。此外檢測的口罩濾材材料,阻隔率在3%上下,有害細菌的阻隔率達到97%左右,完全符合標準。除了阻隔率還要檢測拉伸強度,只有拉伸度夠強,才能方便下游生產企業自由使用。目前,天津泰達潔凈公司口罩濾材生產線的產能已經全面釋放,產品正陸續輸送給振德醫療、廈門弓立、河南亞都等19家國內口罩生產廠家。

  聚四氟乙烯助力長效防護

  長時間佩戴口罩時(如1~2小時),由于佩戴者的呼吸等人體活動,口罩會受潮,其靜電吸附能力減弱,隔離效果逐漸變差。

  納米口罩因其高效的過濾性能,已經成為一款高效醫用防護口罩。類似于普通醫用口罩,納米防菌口罩也包含外層、中間層、內層、耳掛、鼻夾等部分組成。納米口罩的特殊之處在于中間層采用孔徑更小(100~200納米)的納米膜構成,一般為聚四氟乙烯(PTFE)材料。通過單向或者雙向拉伸法制備的PTFE薄膜,表面具有蜘蛛網式的微孔結構,在三維結構上具備網狀連通、孔鑲套、孔道彎曲等非常復雜的變化,因此具備優異的表面過濾功能。利用該材料生產的納米口罩,具備阻隔效率高,使用壽命長、輕薄透氣的特點,是未來口罩發展的新方向。但目前,此種口罩價格較為昂貴,還無法完全替代傳統口罩。

關鍵字:新型冠狀病毒 口罩 護目鏡 防護服
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