المادة الخام للأقنعة - نسيج غير منسوج مصهور بالنفخ | جينهاو تشنغ

ما هي الأسباب العلمية المتعلقة بالمواد التي تقف وراء استخدام أنواع مختلفة منالكماماتوبالتوسع أكثر في معدات الحماية الشخصية (PPE)، ما هي المواد البوليمرية الخاصة وعمليات التصنيع المستخدمة؟

ما هي المادة التي تصنع منها الأقنعة؟

لماذا يوجد فرق كبير بين الأقنعة المختلفة؟ عندما كنت أكتب، قمت بفتح قناع من الفحم النشط مكون من أربع طبقات يستخدم عادة في المختبر لمعرفة ما بداخله:

كما نرى، يتكون القناع من أربع طبقات. الطبقتان الخارجيتان مصنوعتان من مادتين تشبهان القماش، الطبقة السوداء مصنوعة من الكربون المنشط، أما الطبقة الثالثة فهي كثيفة، تشبه إلى حد ما المنديل. بعد البحث قليلاً، تبين أنه بالإضافة إلى طبقة الكربون المنشط في المنتصف، فإن الطبقات الثلاث الأخرى مصنوعة من نوع من الأقمشة غير المنسوجة. يُطلق على هذا النوع من الأقمشة اسم "النسيج غير المنسوج" (أو "القماش غير المنسوج" باللغة الإنجليزية)، وهو مصنوع من ألياف موجهة أو عشوائية. سُمي بالنسيج نظرًا لمظهره وخصائصه.

تتعدد عمليات تصنيع الأقمشة غير المنسوجة، بما في ذلك عملية الغزل بالربط، وعملية الرش بالصهر، وعملية الدرفلة على الساخن، وعملية الغزل، وغيرها. أما الألياف الخام المستخدمة فهي بشكل رئيسي البولي بروبيلين (PP) والبوليستر (PET). بالإضافة إلى ذلك، هناك النايلون (PA)، وألياف الفسكوز، وألياف الأكريليك، وألياف البولي بروبيلين عالي الكثافة (HDPE)، والبولي فينيل كلوريد (PVC)، وغيرها.

تُنتج معظم الأقمشة غير المنسوجة المتوفرة حاليًا في السوق بتقنية الغزل والربط. تعتمد هذه التقنية على تشكيل خيوط متصلة من خلال بثق البوليمر وتمديده، ثم تُلف هذه الخيوط على شكل شبكة، وتُربط هذه الشبكة الليفية ذاتيًا، أو حراريًا، أو كيميائيًا، أو ميكانيكيًا، لتُصبح بذلك نسيجًا غير منسوج. يسهل تمييز الأقمشة غير المنسوجة المصنعة بتقنية الغزل والربط، وعادةً ما يكون شكل نقطة الالتفاف فيها ماسيًا.

تُعرف عملية تصنيع الأقمشة غير المنسوجة الشائعة الأخرى باسم "النسيج غير المنسوج المُخرّم". وتقوم هذه العملية على ثقب شبكة الألياف بشكل متكرر باستخدام حواف مسننة وحواف مقطع مثلث (أو مقاطع أخرى). فعندما تخترق الإبرة الشبكة، تدفع الطبقة السطحية والطبقة الداخلية المحلية للشبكة إلى داخلها. وبسبب الاحتكاك بين الألياف، تنضغط الشبكة الأصلية الرقيقة. وعند خروج الإبرة من الشبكة، تترك الأشواك خيوطًا خلفها، مما يؤدي إلى تشابك العديد من الخيوط داخل الشبكة وعدم قدرتها على العودة إلى حالتها الرقيقة الأصلية. وبعد تكرار عملية التخريم عدة مرات، يتم ثقب عدد كبير من حزم الألياف داخل شبكة الألياف، وتتشابك الألياف داخل الشبكة مع بعضها البعض، مما يُشكل نسيجًا غير منسوج مُخرّمًا يتمتع بقوة وسماكة مناسبتين.

لكن مسام النسيجين غير المنسوجين كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها لأغراض طبية لعزل الفيروسات التي يبلغ حجمها حوالي 100 نانومتر.

لذلك، تُصنع الطبقة الوسطى من الكمامة الجراحية العامة من قماش غير منسوج بتقنية الرش بالصهر. وتتمثل عملية إنتاج هذا القماش في وضع المادة الأولية من البوليمر (عادةً البولي بروبيلين) في جهاز البثق، ثم صهرها عند درجة حرارة تقارب 240 درجة مئوية (للبولي بروبيلين). يمر المصهور عبر مضخة القياس ليصل إلى رأس قالب الحقن. عند بثق البوليمر المتشكل حديثًا من المغزل، يضغط الهواء المضغوط على البوليمر، ساحبًا الخيط الساخن إلى قطر يتراوح بين 1 و10 أمتار بسرعة هواء أعلى من سرعة الصوت (550 مترًا في الثانية). تُسمى هذه الشبكة، وفقًا لخصائصها الفيزيائية، بشبكة الألياف الدقيقة. وتزيد هذه الألياف فائقة الدقة، ذات الخاصية الشعرية الفريدة، من عدد الألياف ومساحة سطحها لكل وحدة مساحة، مما يجعل الأقمشة المصهورة بالرش تتمتع بخصائص ترشيح وحماية وعزل وامتصاص زيوت جيدة. ويمكن استخدامها في ترشيح الهواء والسوائل، ومواد العزل، ومواد الأقنعة، وغيرها من المجالات.

تعتمد آلية ترشيح الكمامات الطبية على الانتشار البراوني، والاعتراض، والتصادم بالقصور الذاتي، والترسيب بفعل الجاذبية، والامتزاز الكهروستاتيكي. تُعدّ العوامل الأربعة الأولى عوامل فيزيائية، وهي خصائص طبيعية للأقمشة غير المنسوجة المُنتجة بتقنية الرش بالصهر. تبلغ كفاءة الترشيح حوالي 35%، وهي نسبة لا تفي بمتطلبات الكمامات الطبية. لذا، نحتاج إلى معالجة المادة بطريقة ثابتة، لجعل الألياف تحمل شحنة كهربائية، واستخدام الشحنة الكهروستاتيكية لالتقاط الرذاذ الذي يحمل فيروس كورونا المستجد.

تم التقاط رذاذ فيروس كورونا المستجد (الهباء الجوي) عن طريق امتصاص الفيروس من خلال قوة كولوم للألياف المشحونة. ويعتمد المبدأ على جعل سطح مادة الترشيح أكثر انفتاحًا، مما يزيد من قدرة الجسيمات على الالتقاط، وزيادة كثافة الشحنة، وبالتالي تعزيز امتصاص الجسيمات وتأثير الاستقطاب. لذا، يجب التعامل مع طبقة الترشيح المصنوعة من مادة الترشيح غير المنسوجة المصهورة، والتي لا يمكن تغييرها في ظل ظروف مقاومة التنفس، لتحقيق كفاءة ترشيح تصل إلى 95%، مما يجعلها فعالة ضد الفيروس.

بعد بعض البحث، لدي فهم عام لتكوين القناع الذي في يدي: الطبقة الخارجية مصنوعة من قماش غير منسوج مثقوب بالإبر مصنوع من مادة البولي بروبيلين، والطبقة الداخلية عبارة عن طبقة من الكربون المنشط وطبقة من قماش البولي بروبيلين المصهور بالرش.