出品：科普中國(guó)

作者：Vivian

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

現(xiàn)在，口罩已經(jīng)成為日常生活中的必備單品?；蛟S我們已經(jīng)習(xí)慣了物美價(jià)廉的淺藍(lán)色長(zhǎng)方形無(wú)紡布在病毒面前為我們搭建的防護(hù)屏障，認(rèn)為小小一只口罩已經(jīng)沒(méi)有什么科技進(jìn)步的空間了。

但事實(shí)并非如此，一只高科技口罩的誕生，對(duì)于你我甚至地球而言，意義重大。

一次性醫(yī)用口罩

（圖片來(lái)源：VEER圖庫(kù)）

隔離病毒的是什么布？

我們每天使用的一次性醫(yī)用防護(hù)口罩之所以能形成阻隔病毒的屏障，有賴于其中間層---熔噴布。簡(jiǎn)而言之，熔噴布是一種塑料制品，是由石油工業(yè)產(chǎn)品聚丙烯加熱后，經(jīng)熔噴工藝制成纖維后得到的。

而熔噴工藝，是過(guò)濾產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍使用的工業(yè)技術(shù)，可以制造出直徑為2-20微米的聚丙烯纖維。經(jīng)過(guò)后續(xù)駐極處理后，聚丙烯纖維還可以帶上電荷，當(dāng)包含病毒的飛沫靠近時(shí)，它可以發(fā)揮“靜電神力”將它們吸附在表面，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)的效果。

聚丙烯熔噴布的纖維結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

正是這些我們?nèi)庋劭床坏降睦w維結(jié)構(gòu)，使得熔噴布成為防護(hù)病毒的“神盾”。因此聚丙烯在熔噴過(guò)程中形成的纖維尺寸就顯得尤為重要。

采用熔融指數(shù)更高的聚丙烯制成的熔噴布，具有直徑僅為0.1-2微米的纖維，比頭發(fā)絲還要細(xì)千倍，因此孔隙率更高，可以改善口罩的透氣性、降低過(guò)濾阻力。一方面提高對(duì)病毒的防護(hù)能力，另一方面也使得佩戴過(guò)程更加舒適。

不僅如此，更細(xì)的聚丙烯纖維意味著熔噴布的單位面積密度更低，可以降低口罩成品對(duì)不可再生的化石原料的消耗。

此外，聚丙烯十分穩(wěn)定，在海洋環(huán)境中甚至需要400年才能降解。如果可以降低口罩中熔噴布的密度，就可以減少向環(huán)境輸出塑料垃圾的總量。

所以說(shuō)，將聚丙烯纖維變得更細(xì)，以“開(kāi)源”和“節(jié)流”雙管齊下，可以為地球大大減負(fù)。

聚丙烯纖維怎么變細(xì)呢？

如果我們可以像大圣指揮如意金箍棒一樣，口念“變細(xì)、變細(xì)、變細(xì)”就可以得到直徑更小的聚丙烯纖維，那可真是得來(lái)全不費(fèi)工夫。但我們并沒(méi)有此等神通，不過(guò)倒也不必灰心喪氣，有高科技手段助力！

在利用熔噴技術(shù)制造聚丙烯纖維時(shí)，熔融的聚合物流體會(huì)經(jīng)由噴嘴被注入高速氣體/空氣射流中。氣體射流的沖擊對(duì)聚合物流體產(chǎn)生強(qiáng)大的牽引力，使得纖維直徑迅速降低至遠(yuǎn)低于噴嘴直徑的大小，而后被收集成自粘結(jié)網(wǎng)，從而生產(chǎn)微纖維。

熔噴過(guò)程示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

熔噴設(shè)備的噴嘴可不簡(jiǎn)單，上面分布著成百上千個(gè)孔洞，作為聚丙烯流體的出口。通過(guò)提高噴嘴上孔洞的數(shù)量以及優(yōu)化它們?cè)趪娮焐系姆植?，配合特定角度的?dǎo)氣槽，就可以將聚丙烯纖維的平均直徑降低至300-500納米。

除了噴嘴，或許還可以在聚丙烯上做做文章。在熔噴過(guò)程中，聚丙烯原料需要加熱從固體變成熔融態(tài)，就像黏糊糊的流體一樣。而提高溫度，可以降低聚丙烯流體的粘度，也就使得它的流動(dòng)性更好，在氣流作用下受力能獲得更細(xì)的纖維。

然而，升高溫度是有限制的，那就是要避免聚丙烯在高溫下發(fā)生分解。于是，研究人員獨(dú)辟蹊徑，把目光放在了如何加熱噴嘴處的聚合物這方面。

想象一下，當(dāng)聚丙烯被擠出噴嘴時(shí)，迎面遇到一束激光，在噴嘴處的熔融狀態(tài)的流體就會(huì)被加熱，而裝置內(nèi)的其他聚丙烯卻不受影響。這些經(jīng)歷激光洗禮的“排頭兵”因?yàn)闇囟壬?，粘度降低，變得稀溜溜，再配合高速氣流的牽引拖拽，嗖地一下就能完成“瘦身”?/p>

激光處理噴嘴處的聚丙烯得到更細(xì)的纖維

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4）

辦法總比困難多嘛！源自科研人員的巧思，激光的加入使得熔噴技術(shù)制備的聚丙烯纖維平均直徑降低到450納米，而這只需要0.7W的激光就可以做到。

更細(xì)的聚丙烯纖維有多重要？

也許你會(huì)問(wèn)，有必要如此大費(fèi)周章，只為了降低聚丙烯纖維的直徑？難道我們現(xiàn)在用的口罩不夠輕？防護(hù)效果不夠好？

這樣做的意義可能遠(yuǎn)比我們想得還要重要。

更細(xì)的聚丙烯纖維，不僅提高了對(duì)病毒等顆粒物的攔截，同時(shí)降低了聚丙烯的用量。在當(dāng)前背景下，全球每天消費(fèi)的口罩?jǐn)?shù)量據(jù)估計(jì)可達(dá)到4.6億。

全球每天使用口罩?jǐn)?shù)量分布圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4）

當(dāng)使用后的口罩被丟棄，它們便從健康的守衛(wèi)者變成了垃圾。當(dāng)前，每一只口罩需要使用約0.7克聚丙烯，僅需要簡(jiǎn)單地計(jì)算就可得知，全球每年消費(fèi)和丟棄的聚丙烯纖維高達(dá)115萬(wàn)噸。而用更細(xì)的聚丙烯纖維制成的口罩，防護(hù)效果更佳的同時(shí)，每只口罩需要的聚丙烯纖維僅為0.13克。這一技術(shù)不僅為全球每年節(jié)約92萬(wàn)噸聚丙烯原料，還為地球環(huán)境減少了大量的不可降解的塑料垃圾。

不僅如此，聚丙烯纖維更細(xì)的口罩還有助于減少?gòu)U棄口罩給其他動(dòng)物和地球環(huán)境帶來(lái)的危害。聚丙烯在自然環(huán)境中非常穩(wěn)定，其降解時(shí)間甚至在400年以上。當(dāng)廢棄口罩以不正確的方式進(jìn)入環(huán)境中，不明就里的動(dòng)物很可能誤食，引發(fā)嚴(yán)重的健康危害。2020年9月，在巴西海灘上發(fā)現(xiàn)的一具企鵝尸體的胃中，就發(fā)現(xiàn)了一只完整的口罩，這很可能使它死亡的主要原因。

而在我們看不到的地方，地球正以無(wú)言的方式，承受著塑料污染的影響。在美國(guó)圣巴巴拉沿岸580米深的海底，在高緯度的北極，在8840米的珠峰，都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了塑料污染物的痕跡。而這些污染或許正潛移默化地影響著我們?nèi)祟愖陨怼?/p>

所以，在看到口罩對(duì)我們的保護(hù)的同時(shí)，也不應(yīng)該忽視沒(méi)有被正確處理的廢棄口罩對(duì)環(huán)境和生物的不良影響。

口罩VS病毒

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

因此，一只纖維更細(xì)的高科技口罩的誕生，于你我健康，于萬(wàn)物生靈，于自然環(huán)境，都顯得如此非凡。而在這一過(guò)程中讓我們保持舉重若輕心態(tài)的底氣，源于可持續(xù)發(fā)展的理念，更源于科技的進(jìn)步。

編輯：孫晨宇

參考文獻(xiàn)：

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4.Saving 80% Polypropylene in Facemasks by Laser-Assisted MeltBlown Nanofibers[J]. Nano Letter, 2022, 22,7217-7219.