Каковы материаловедческие причины использования различных типовмаскиЕсли рассматривать средства индивидуальной защиты (СИЗ) более подробно, то какие специальные полимерные материалы и производственные процессы используются в этом контексте?
Из какого материала изготавливаются маски?
Почему существует такая большая разница между разными масками? Когда я писала, я разрезала четырехслойную маску из активированного угля, обычно используемую в лаборатории, чтобы узнать, что находится внутри:
Как мы видим, маска разделена на четыре слоя. Два самых внешних слоя представляют собой два тканеподобных материала: черный слой — это активированный уголь, а третий — плотный, немного похожий на салфетку. Немного поясним: помимо среднего слоя с активированным углем, остальные три слоя представляют собой материал, называемый нетканым полотном. Нетканое полотно (английское название: non-woven Fabric или Nonwoven cloth) также называют нетканым материалом, который изготавливается из направленных или хаотично расположенных волокон. Его называют тканью из-за его внешнего вида и определенных свойств.
Существует множество способов производства нетканых материалов, включая спанбонд, плавление и распыление, горячую прокатку, прядение и так далее. В качестве сырья в основном используются полипропилен (ПП) и полиэстер (ПЭТ). Кроме того, можно использовать нейлон (ПА), вискозное волокно, акриловое волокно, полипропиленовое волокно (ПЭВП), ПВХ и др.
В настоящее время большинство нетканых материалов на рынке производится методом спанбонда. Этот метод предполагает формирование непрерывной нити путем экструзии и растяжения полимера, затем нить укладывается в сетку, которая затем скрепляется волокнистой сеткой путем термосклеивания, химического склеивания или механического армирования, в результате чего получается нетканый материал. Нетканые материалы, полученные методом спанбонда, легко идентифицировать. Как правило, точка прокатки нетканых материалов, полученных методом спанбонда, имеет ромбовидную форму.
Еще один распространенный процесс производства нетканых материалов называется иглопробивным нетканым материалом. Принцип производства заключается в многократном прокалывании волокнистой сетки зазубренными краями и краями треугольных (или других) секций. Когда зазубрина проходит через сетку, она вдавливает поверхностный и локальный внутренний слой сетки внутрь. Из-за трения между волокнами исходная пушистая сетка сжимается. Когда игла выходит из сетки, нити остаются за зазубринами, так что многие из них запутываются в сетке и не могут вернуться в свое первоначальное пушистое состояние. После многократного иглопробивания в волокнистую сетку вдавливается довольно много пучков волокон, и волокна в сетке запутываются друг с другом, образуя таким образом иглопробивной нетканый материал определенной прочности и толщины.
Однако поры двух нетканых материалов слишком велики, чтобы в медицинских целях изолировать вирусы размером около 100 нм.
Таким образом, промежуточный слой обычной хирургической маски изготавливается из нетканого материала методом распыления расплава. Производство нетканого материала методом распыления расплава начинается с того, что полимерная мастербатч (обычно полипропилен) помещается в экструдер и расплавляется в нем при температуре около 240℃ (для ПП). Расплав проходит через дозирующий насос и достигает головки литьевой формы. Когда вновь образованный полимер экструдируется из фильеры, поток сжатого воздуха воздействует на полимер и вытягивает горячую нить диаметром 1–10 м со скоростью воздуха, превышающей скорость звука (550 м/с). По своим физическим свойствам такая сетка называется микроволоконной. Эти ультратонкие волокна с уникальной капиллярностью увеличивают количество и площадь поверхности волокон на единицу площади, благодаря чему ткани, полученные методом распыления расплава, обладают хорошими фильтрующими, экранирующими, изоляционными и маслопоглощающими свойствами. Они могут использоваться в качестве фильтрующих материалов для воздуха и жидкостей, изоляционных материалов, материалов для масок и в других областях.
Механизм фильтрации медицинской маски основан на броуновской диффузии, перехвате, инерционном столкновении, гравитационном осаждении и электростатической адсорбции. Первые четыре фактора являются физическими и представляют собой естественные характеристики нетканых материалов, полученных методом распыления расплава. Фильтрующие свойства составляют около 35%. Этого недостаточно для медицинских масок. Необходимо провести стационарную обработку материала, чтобы волокна несли электрический заряд, и использовать электростатический метод для улавливания аэрозоля, содержащего новый коронавирус.
Аэрозоль нового коронавируса был захвачен путем адсорбции нового коронавируса за счет кулоновской силы заряженного волокна. Принцип заключается в том, что чем более открыта поверхность фильтрующего материала, тем сильнее способность частиц к захвату, а с увеличением плотности заряда адсорбция частиц и поляризационный эффект усиливаются. Таким образом, фильтрующий слой нетканого материала, полученного методом экструзионного формования, должен пройти через дыхательные пути, не изменяясь при условии респираторного сопротивления, и обеспечить 95% фильтруемость, что делает его эффективным против вируса.
После некоторых исследований у меня сложилось общее представление о составе маски, которую я держу в руках: внешний слой изготовлен из нетканого полотна, полученного методом иглопрокалывания из полипропилена, а промежуточный слой состоит из слоя активированного угля и слоя полипропиленовой ткани, полученной методом распыления расплава.
Дата публикации: 29 августа 2020 г.