異なるタイプの材料を使用する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) に関しては、どのような特殊なポリマー材料と製造プロセスが関係しているのでしょうか?
マスクはどんな素材でできていますか？
なぜマスクによってこんなにも大きな違いがあるのでしょうか。この記事を書いているときに、研究室でよく使われる4層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。
ご覧の通り、マスクは4層に分かれています。一番外側の2層は布のような素材で、黒い層は活性炭、そしてもう1層は密度が高く、ナプキンのような質感です。少し調べてみると、真ん中の活性炭層に加えて、残りの3層は不織布と呼ばれる素材でできていることがわかります。不織布（英名：non-woven fabric、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布で、その外観と特定の特性から布と呼ばれています。
不織布の製造工程には、スパンボンド法、溶融スプレー法、熱間圧延法、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、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などもあります。
現在、市場に流通し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。この製法では、ポリマーを押出・延伸することで連続フィラメントを形成し、このフィラメントを網状に敷き詰め、その後、繊維網自体を熱接着、化学接着、あるいは機械的補強によって結合させることで不織布を形成します。スパンボンド不織布は簡単に識別できます。一般的に、スパンボンド不織布の圧延点は菱形をしています。
もう一つの一般的な不織布製造プロセスは、ニードリング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刺することです。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層がネットワークに押し込まれます。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。針がネットから出ると、ストランドがバーブに残されるため、多くのストランドがネットに絡み合い、元のふわふわした状態に戻ることができません。何度もニードリングを行うと、かなりの数の繊維束が繊維ネットに穿刺され、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リング不織布が形成されます。
しかし、この2つの不織布の孔は、医療用途では100nm程度のウイルスを分離するには大きすぎる。
そのため、一般的なサージカルマスクの中間層は、溶融スプレー法で不織布で作られています。溶融スプレー不織布の製造方法は、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。形成された新しいポリマーが紡糸口金から押し出されると、圧縮空気の末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に引き寄せます。このようなネットは、その物理的特性からマイクロファイバーネットと呼ばれます。これらの極細繊維は独特の毛細管現象を持ち、単位面積あたりの繊維数と表面積を増加させるため、溶融スプレー布は優れた濾過、遮蔽、断熱、吸油特性を備えています。空気、液体濾過材、隔離材、マスク素材などの分野で使用できます。
医療用マスクの濾過機構は、ブラウン拡散、遮断、慣性衝突、重力沈降、静電吸着の4つです。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。濾過性能は約35%で、医療用マスクの要求を満たしていません。素材に静置処理を施し、繊維に電荷を帯びさせ、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のエアロゾル（エアロゾル）は、帯電繊維のクーロン力によって新型コロナウイルスの吸着によって捕捉されます。原理は、フィルター材料の表面がより開いているため、粒子を捕捉する能力が強く、電荷密度が高くなり、粒子の吸着と分極効果がより強くなるため、メルトブロー不織布フィルター材料のフィルター層が、通過しなければならない処理、呼吸抵抗を前提として変化できないため、95％の濾過率を達成し、ウイルスに対して有効になります。
調べてみると、私が手にしたマスクの構成は大体分かってきました。外層はPP製のニードルパンチ不織布で、中間層は活性炭層とPP溶融スプレー布層です。
投稿日時: 2020年8月29日