中國“耐火紙之父”研制防霾口罩:PM2.5過濾率超95%

時間:2017-09-29 08:09:24 來源:澎湃新聞

原標題:中國“耐火紙之父”研制防霾口罩:PM2.5過濾率超95%

  口罩看似常見,其使用的材料卻有大有講究,得同時滿足兩個看似矛盾的特性:能過濾細微顆粒物,同時又要做到透氣舒適。

日前,中科院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領的科研團隊研制出可高效清除空氣PM2.5的新型過濾紙和口罩,對空氣PM2.5和PM10顆粒物的過濾效率均高于95%,同時透氣性良好。相關研究結果發表在英國皇家化學會《材料化學期刊A》上 (Journal of Materials Chemistry A),并申請一項發明專利。

新型羥基磷灰石超長納米線基過濾紙及以其作為濾芯材料的過濾口罩。

朱英杰在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)采訪時表示,“古早的口罩主要用普通紗布、無紡布作為濾料,這些植物纖維比較粗,纖維之間孔隙比較大,對PM10以上的顆粒有比較好的過濾效果,但對PM2.5這樣的細顆粒物過濾效率就比較低了。”

PM2.5細顆粒物是指環境空氣動力學直徑小于或等于2.5微米的顆粒物,其在空氣中的含量越高,空氣污染就越嚴重。通常顆粒物粒徑在大于2.5微米時,才能被鼻腔絨毛、鼻子或者普通防護口罩直接擋在外面。

在朱英杰團隊此番研制的這款防護口罩中,采用羥基磷灰石(一種無機材料,也是骨骼和牙齒中的主要無機成分)超長納米線作為主要構建材料,再與植物纖維復合,從而形成多級復合孔道結構,實現了在保持空氣PM2.5細顆粒物高過濾效率的同時,還可大大提高過濾紙的透氣性。

值得一提的是,朱英杰和羥基磷灰石已經打交道近十年。2014年,朱英杰團隊還成功制備出新型羥基磷灰石耐火紙,在科學界引起廣泛關心,堪稱“耐火紙之父”。

朱英杰在2002年1月入選中科院“百人計劃”回國工作,曾獲得過上海市自然科學一等獎等榮譽,2014年、2015年和2016年連續3年入選Elsevier 發布的中國高被引學者榜,目前任中科院上海硅酸鹽研究所生物納米技術研究課題組組長。

過濾效率高于95%

朱英杰提到,目前這款新型的羥基磷灰石超長納米線基過濾紙,以及以該材料作為濾芯的過濾口罩,“是在之前羥基磷灰石超長納米線耐火紙的基礎上研制的”,仍然以羥基磷灰石超長納米線為主要構建材料。

“羥基磷灰石其實是人體內的材料,是典型的生物材料,生物相容性特別好,環境友好、無毒無害,而口罩是需要和人體接觸的,所以這個材料非常適合。”

選定主材料之后,面臨的首要問題是要滿足PM2.5防護口罩的過濾效率。“我們用羥基磷灰石做成新型過濾紙以后,納米線之間互相交織形成了三維網路多孔結構,孔的尺寸是在納米級的,屬于納米孔。PM2.5顆粒粒徑比我們過濾紙孔的尺寸要大,會被攔截過不去,所以過濾效率是比較高的。”

當然,單純滿足過濾效率也不是難題。“如果我們用100%的羥基磷灰石來制備口罩,PM2.5顧慮效率就能達到100%,但純納米線的過濾紙透氣性不是太好。”口罩的兩大最重要的性能,也就是過濾效率和透氣性。

“透氣性不好的話,人一旦戴上就會感到呼吸困難、胸悶等不舒服的感覺。”為平衡透氣性問題,研究團隊引入植物纖維和羥基磷灰石納米線進行復合。“均勻復合之后,就可以形成多級的孔道結構。我們的實驗結果表明,植物纖維的最佳比例在15%-20%,在這個最佳比例條件下,可以明顯地改善透氣性。”

朱英杰表示,“我們試驗中得出的過濾效率95%以上實際上是比較保守的,我們可以做到100%,但這里面有個矛盾,過濾效率越高,透氣性就變差了。我們是在做一個平衡,保證口罩的透氣性。”

研究還指出,該新型過濾紙在中度、重度、嚴重污染等不同程度的空氣污染環境中,對PM2.5細顆粒物的過濾效率均高于95%。此外,該新型過濾紙還可多次重復和長時間使用,并有望作為高效濾芯材料應用于空氣凈化器、空調等產品中。

朱英杰還強調,這款PM2.5防護口罩未來還可以同時具備抗菌作用。“加入一些抗菌劑進行復合之后,就能對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見細菌具有高效抗菌活性。”值得注意的是,PM2.5細顆粒物在本身危害人體健康的同時,還可作為有毒有害物質、病毒和細菌的有載體。

正在醞釀產業化

要想真正發揮這款新型PM2.5防護口罩的作用,還必須推動其產業化。 朱英杰透露,“我們正在向產業化方面努力,目前正在談合作的事情,下面就想跟企業合作,把我們的技術和產品盡快產業化。”

不過,產業化并非易事。上海一家納米口罩企業的一名人士對澎湃新聞(www.thepaper.cn)表示,“真正產業化會遇到技術性、經濟型等各方面的問題,大規模生產和實驗室小批量實驗是完全不同的,而且能不能大規模生產也需要考慮,如果需要花費很高的成本去做,那就沒有任何競爭力。”該人士同時強調,真正產業化的東西,當然也需要在實驗室潛心研究的,沒有實驗室的數據和經驗積累,也很難做成產業化。

該人士坦言,關于PM2.5防護口罩方面的研究,這兩年會有一個激增。“現在不光是新材料這一塊在研究,古早的熔噴布也在進步,過濾效果也越來越好,阻力(和透氣性相關)也越來越低。”

熔噴布是目前常見防塵口罩的核心過濾材料,是一種含有靜電駐極體的無紡布,纖維比一般無紡布細(直徑1-5微米),靠靜電吸附粉塵。美國多元化科技公司3M就是熔噴鼻祖,無論在工業領域還是現在的民用防霾口罩領域,3M口罩在市場的地位都不可撼動。

然而,熔噴布一大致命缺點即靜電衰減,也就意味著口罩使用壽命短,這也是業內一直研究的課題。朱英杰也提到,“熔噴布的缺點包括不易清潔、短時間使用后阻力上升快、呼吸不適等問題。”另外,朱英杰還認為,熔噴布還存在不易實現多種功能于一體,如抗菌功能等其他缺點。

因此,眼下在防霾口罩領域的這塊新陣地中,新舊材料都在期待有番作為。就國內而言,除中科院上海硅酸鹽研究所此番研制的成果之外,今年以來,相繼有浙江大學常州工業技術研究院、大連理工大學、武漢紡織大學等高校和機構宣布研制成功防霾口罩。

大連理工大學團隊稱其采用靜電紡絲纖維膜制成濾芯的防霧霾口罩,對于PM2.5過濾效率近乎100%,對于直徑為0.3微米的空氣懸浮顆粒過濾效果也高達99%,并且如此高的過濾效率并沒有增加呼吸負擔。

值得注意的是,市場上的防霧霾口罩質量實則參差不齊。朱英杰提高,“目前市場上所謂的PM2.5口罩大多存在的一個主要問題,就是過濾效率偏低,現在有的過濾口罩的過濾效率低于50%,甚至只有百分之十幾。還有一點就是透氣性比較差。”當然,對于用于人直接使用的口罩,質量指標還包括甲醛、PH值、可分解致癌芳香氨染料、微生物等。

為規范市場和行業競爭,國家標準化管理委員會于2014年7月啟動了GB/T 32610—2016標準制定項目計劃,并于2016年4月25日正式發布,同年11月1日起正式實施。GB/T 32610—2016《日常防護型口罩技術規范》是中國首個民用防護口罩國家標準。此前,僅制定了醫用及工業防護口罩標準。

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