서로 다른 유형의 재료를 사용하는 데에는 재료과학적 이유가 무엇일까요?마스크개인 보호 장비(PPE)로 범위를 넓혀보면, 어떤 특수 고분자 소재와 제조 공정이 사용됩니까?
마스크는 어떤 재질로 만들어지나요?
마스크 종류에 따라 차이가 이렇게 큰 이유는 무엇일까요? 글을 쓰면서 실험실에서 흔히 사용하는 4겹 활성탄 마스크를 잘라 속을 살펴보았습니다.
보시다시피 마스크는 네 겹으로 나뉘어 있습니다. 가장 바깥쪽 두 겹은 천과 같은 재질로 되어 있는데, 검은색 층은 활성탄이고, 다른 한 겹은 촘촘한 재질로 마치 냅킨과 비슷합니다. 조금 더 찾아보니, 가운데 활성탄 층을 제외한 나머지 세 겹은 부직포라는 소재로 되어 있었습니다. 부직포(영어로는 non-woven fabric 또는 Nonwoven cloth)는 섬유가 일정한 방향성을 가지거나 불규칙적인 형태로 배열되어 만들어진 소재입니다. 겉모습과 특정 특성 때문에 '천'이라고 불립니다.
부직포 제조 공정에는 스펀본드 공정, 멜팅 스프레이 공정, 열간압연 공정, 방사 공정 등 다양한 종류가 있습니다. 사용되는 원섬유는 주로 폴리프로필렌(PP)과 폴리에스터(PET)이며, 그 외에도 나일론(PA), 비스코스 섬유, 아크릴 섬유, 고밀도 폴리프로필렌(HDPE), PVC 등이 있습니다.
현재 시판되는 대부분의 부직포는 스펀본드 공법으로 생산됩니다. 이 공법은 고분자를 압출 및 연신하여 연속적인 필라멘트를 형성한 후, 이 필라멘트를 그물 형태로 배열하고, 열 접착, 화학 접착 또는 기계적 보강을 통해 섬유 그물을 접착시켜 부직포를 만듭니다. 스펀본드 부직포는 쉽게 구별할 수 있는데, 일반적으로 스펀본드 부직포의 말림점은 마름모꼴입니다.
또 다른 일반적인 부직포 제조 공정은 니들링 부직포라고 합니다. 이 제조 원리는 바늘의 뾰족한 모서리와 삼각형 단면(또는 다른 단면)의 모서리로 섬유망을 반복적으로 찌르는 것입니다. 바늘이 섬유망을 통과할 때, 섬유망의 표면과 내부의 특정 섬유층을 안쪽으로 밀어 넣습니다. 섬유 사이의 마찰로 인해 원래의 솜털 같은 섬유망이 압축됩니다. 바늘이 섬유망을 빠져나갈 때, 바늘에 섬유 가닥이 남아서 많은 섬유 가닥이 섬유망에 얽히게 되고 원래의 솜털 같은 상태로 돌아가지 못하게 됩니다. 니들링 과정을 여러 번 반복하면 상당수의 섬유 가닥이 섬유망에 뚫리고 섬유들이 서로 얽히게 되어 일정한 강도와 두께를 가진 니들링 부직포가 형성됩니다.
하지만 두 부직포의 기공은 의료 목적으로 사용하기에는 너무 커서 약 100nm 크기의 바이러스를 분리할 수 없습니다.
따라서 일반적인 수술용 마스크의 중간층은 용융 분무법으로 제조된 부직포로 만들어집니다. 용융 분무 부직포의 생산 과정은 먼저 폴리머 마스터배치(일반적으로 폴리프로필렌)를 압출기에 넣고 약 240℃(PP의 경우)의 온도에서 용융시키는 것으로 시작됩니다. 용융된 폴리머는 계량 펌프를 거쳐 사출 성형 헤드에 도달합니다. 새로 형성된 폴리머가 방사구에서 압출될 때, 압축 공기가 폴리머에 작용하여 뜨거운 필라멘트를 음속(550m/s) 이상의 속도로 직경 1~10m까지 뽑아냅니다. 이러한 망은 물리적 특성에 따라 마이크로섬유 망이라고 불립니다. 이러한 초극세 섬유는 독특한 모세관 현상을 통해 단위 면적당 섬유의 수와 표면적을 증가시켜 용융 분무 직물이 우수한 여과, 차폐, 절연 및 오일 흡수 특성을 갖도록 합니다. 따라서 공기 및 액체 여과재, 격리재, 마스크 소재 등 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.
의료용 마스크의 여과 메커니즘은 브라운 확산, 차단, 관성 충돌, 중력 침전 및 정전기 흡착입니다. 처음 네 가지는 모두 물리적 요인으로, 용융 분무법으로 생산된 부직포의 고유한 특성입니다. 이러한 여과 성능은 약 35%에 불과하여 의료용 마스크의 요구 조건을 충족하지 못합니다. 따라서 소재에 정전기 처리를 하여 섬유에 전하를 부여하고, 정전기를 이용하여 신종 코로나바이러스가 포함된 에어로졸을 포집해야 합니다.
신종 코로나바이러스 에어로졸(에어로졸)은 하전 섬유의 쿨롱 힘에 의한 신종 코로나바이러스 흡착을 통해 포집됩니다. 원리는 필터 재료 표면을 더욱 개방적으로 만들어 입자 포집 능력을 강화하고, 전하 밀도를 증가시켜 입자 흡착 및 분극 효과를 강화하는 것입니다. 따라서 멜트블로운 부직포 필터 재료의 필터층은 호흡 저항을 유지하면서 95%의 여과율을 달성하여 바이러스에 효과적이어야 합니다.
조사를 좀 해보니 제가 손에 든 마스크의 구성에 대해 대략적인 이해를 할 수 있었습니다. 겉감은 PP 소재로 만든 니들펀칭 부직포이고, 중간층은 활성탄층과 PP 용융 스프레이 직물층으로 이루어져 있습니다.
게시 시간: 2020년 8월 29일