さまざまな種類の材料科学的な理由は何ですか？マスクさらに個人用保護具（PPE）にまで範囲を広げると、どのような特殊なポリマー材料と製造プロセスが用いられているのでしょうか？
マスクはどのような素材でできていますか？
なぜマスクの種類によってこれほど大きな違いがあるのでしょうか？この記事を書くにあたり、実験室でよく使われる4層構造の活性炭マスクを切り開いて、内部がどうなっているのか調べてみました。
ご覧のとおり、マスクは4つの層に分かれています。一番外側の2つの層は布のような素材で、黒い層は活性炭、もう1つは密度が高く、少しナプキンのようなものです。小化粧がいくつかのデータを調べて理解したところ、活性炭層の中央を除いて、他の3つの層は不織布と呼ばれる素材です。不織布（英語名：non-woven FabricまたはNonwoven cloth）は、方向性のある繊維またはランダムな繊維で作られた不織布とも呼ばれます。その外観と特定の特性から布と呼ばれています。
不織布の製造プロセスには、スパンボンド法、メルトスプレー法、ホットロール法、紡糸法など、多くの種類があります。使用できる原料繊維は主にポリプロピレン（PP）とポリエステル（PET）です。その他にも、ナイロン（PA）、ビスコース繊維、アクリル繊維、ポリプロピレン繊維（HDPE）、PVCなどがあります。
現在、市場に出回っている不織布のほとんどはスパンボンド法で製造されています。この方法では、ポリマーを押し出して延伸することで連続フィラメントを形成し、そのフィラメントをネット状に並べ、繊維ネットを自己結合、熱結合、化学結合、または機械的補強によって結合することで、繊維ネットを不織布にします。スパンボンド不織布は容易に識別できます。一般的に、スパンボンド不織布の圧延点はひし形をしています。
もう一つの一般的な不織布製造プロセスは、ニードル不織布と呼ばれます。製造原理は、三角形セクション（またはその他のセクション）のバーブエッジとエッジで繊維ネットを繰り返し穿孔することです。バーブがネットワークを通過すると、ネットワークの表面と局所的な内部層がネットワーク内に押し込まれます。繊維間の摩擦により、元のふわふわしたネットワークが圧縮されます。針がネットから抜けると、バーブによって繊維束が残され、多くの繊維束がネット内で絡まり、元のふわふわした状態に戻ることができなくなります。何度もニードルを刺すと、かなりの数の繊維束が繊維ネットに穿孔され、ネット内の繊維が互いに絡み合い、一定の強度と厚さを持つニードル不織布が形成されます。
しかし、これら2種類の不織布の孔径は大きすぎるため、約100nmのウイルスを医療用途で分離することはできない。
そのため、一般的な外科用マスクの中間層は、メルトスプレー法で不織布を製造します。メルトスプレー不織布の製造は、まずポリマーマスターバッチ（一般的にはポリプロピレン）を押出機に入れ、押出機内で約240℃（PPの場合）の温度で溶融します。溶融物は計量ポンプを通過し、射出成形ヘッドに到達します。新しく形成されたポリマーが紡糸口金から押し出されると、圧縮空気の端がポリマーに作用し、音速（550m/s）を超える空気速度で熱いフィラメントを直径1～10mまで引き伸ばします。その物理的特性により、このようなネットはマイクロファイバーネットと呼ばれます。独自の毛細管現象を持つこれらの超極細繊維は、単位面積あたりの繊維の数と表面積を増加させ、メルトスプレー生地に優れたろ過性、遮蔽性、断熱性、吸油性を持たせます。空気、液体ろ過材、隔離材、マスク材などの分野で使用できます。
医療用マスクのろ過メカニズムは、ブラウン運動による拡散、遮断、慣性衝突、重力沈降、静電吸着です。最初の4つはすべて物理的要因であり、溶融スプレー法で製造された不織布の自然な特性です。ろ過性能は約35%です。これは医療用マスクの要求を満たしていません。材料に定常処理を施し、繊維に電荷を持たせ、静電気を利用して新型コロナウイルスを含むエアロゾルを捕捉する必要があります。
新型コロナウイルスエアロゾル（エアロゾル）は、帯電した繊維のクーロン力による新型コロナウイルス吸着によって捕捉されます。原理は、ろ過材の表面をより開放的にし、粒子を捕捉する能力を強くし、電荷密度を増加させ、粒子の吸着と分極効果を強くすることです。そのため、メルトブロー不織布フィルター材のフィルター層は、呼吸抵抗を前提として処理する必要があり、変化することなく、95%のろ過率を達成し、ウイルスに対して効果的です。
少し調べてみたところ、手元にあるマスクの構成についておおまかに理解できました。外側の層はPP製のニードルパンチ不織布でできており、中間層は活性炭層とPPメルトスプレークロス層で構成されています。
投稿日時：2020年8月29日