เหตุผลทางด้านวัสดุศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการใช้วัสดุประเภทต่างๆ มีอะไรบ้างหน้ากากนอกจากนี้ ในส่วนของอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล (PPE) นั้น มีวัสดุโพลีเมอร์พิเศษและกระบวนการผลิตอะไรบ้างที่เกี่ยวข้อง?
หน้ากากทำจากวัสดุอะไร?
ทำไมหน้ากากแต่ละชนิดถึงแตกต่างกันมากขนาดนี้? ขณะที่ฉันกำลังเขียนบทความนี้ ฉันได้ผ่าหน้ากากถ่านกัมมันต์แบบสี่ชั้นที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการเพื่อดูว่าข้างในเป็นอย่างไร:
อย่างที่เราเห็น หน้ากากแบ่งออกเป็นสี่ชั้น ชั้นนอกสุดสองชั้นเป็นวัสดุคล้ายผ้า ชั้นสีดำคือถ่านกัมมันต์ และอีกชั้นหนึ่งมีความหนาแน่นกว่า คล้ายกับผ้าเช็ดหน้าเล็กน้อย หลังจากค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจแล้ว นอกจากชั้นถ่านกัมมันต์ตรงกลางแล้ว อีกสามชั้นที่เหลือเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่เรียกว่าผ้าไม่ทอ ผ้าไม่ทอ (ชื่อภาษาอังกฤษ: non-woven Fabric หรือ Nonwoven cloth) เรียกอีกอย่างว่าผ้าไม่ทอ ซึ่งทำจากเส้นใยที่เรียงตัวเป็นระเบียบหรือแบบสุ่ม เรียกว่าผ้าเพราะลักษณะและคุณสมบัติบางอย่างของมัน
มีกระบวนการผลิตผ้าไม่ทอหลายประเภท เช่น กระบวนการสปันบอนด์ กระบวนการพ่นหลอม กระบวนการรีดร้อน กระบวนการปั่นเส้นใย เป็นต้น เส้นใยดิบที่ใช้ได้ส่วนใหญ่คือโพลีโพรพีลีน (PP) และโพลีเอสเตอร์ (PET) นอกจากนี้ยังมีไนลอน (PA) เส้นใยวิสโคส เส้นใยอะคริลิก เส้นใยโพลีโพรพีลีน (HDPE) PVC เป็นต้น
ปัจจุบัน ผ้าไม่ทอส่วนใหญ่ในท้องตลาดผลิตโดยวิธีสปันบอนด์ วิธีนี้จะสร้างเส้นใยต่อเนื่องโดยการอัดรีดและยืดพอลิเมอร์ จากนั้นเส้นใยจะถูกวางเรียงเป็นตาข่าย และตาข่ายเส้นใยจะถูกยึดติดกันเองด้วยการยึดติดด้วยความร้อน การยึดติดทางเคมี หรือการเสริมแรงทางกล ทำให้ตาข่ายเส้นใยกลายเป็นผ้าไม่ทอ ผ้าไม่ทอแบบสปันบอนด์นั้นสามารถระบุได้ง่าย โดยทั่วไป จุดรีดของผ้าไม่ทอแบบสปันบอนด์จะมีรูปร่างคล้ายเพชร
กระบวนการผลิตผ้าไม่ทออีกแบบหนึ่งที่นิยมใช้กันคือ การผลิตผ้าไม่ทอแบบแทงเข็ม หลักการผลิตคือการแทงตาข่ายเส้นใยซ้ำๆ ด้วยขอบที่มีหนามและขอบของส่วนสามเหลี่ยม (หรือส่วนอื่นๆ) เมื่อหนามแทงผ่านตาข่าย มันจะดันผิวหน้าและชั้นในเฉพาะส่วนของตาข่ายเข้าไปด้านใน เนื่องมาจากแรงเสียดทานระหว่างเส้นใย ตาข่ายที่ฟูเดิมจึงถูกบีบอัด เมื่อเข็มออกจากตาข่าย เส้นใยจะถูกทิ้งไว้โดยหนาม ทำให้เส้นใยจำนวนมากพันกันอยู่ในตาข่ายและไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพฟูเดิมได้ หลังจากแทงเข็มหลายครั้ง เส้นใยจำนวนมากจะถูกแทงเข้าไปในตาข่าย และเส้นใยในตาข่ายจะพันกัน ทำให้เกิดวัสดุผ้าไม่ทอแบบแทงเข็มที่มีความแข็งแรงและความหนาในระดับหนึ่ง
แต่รูพรุนของผ้าไม่ทอทั้งสองชนิดนั้นใหญ่เกินไปสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ เพื่อแยกไวรัสที่ขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร
ดังนั้น ชั้นกลางของหน้ากากอนามัยทั่วไปจึงทำจากผ้าไม่ทอโดยวิธีการพ่นหลอม การผลิตผ้าไม่ทอโดยวิธีการพ่นหลอมนั้น ขั้นแรกจะนำเม็ดโพลิเมอร์ (โดยทั่วไปคือโพลีโพรพีลีน) ใส่ลงในเครื่องอัดรีดและหลอมในเครื่องอัดรีดที่อุณหภูมิประมาณ 240℃ (สำหรับ PP) สารหลอมเหลวจะผ่านปั๊มวัดปริมาณและไปถึงหัวฉีด เมื่อโพลิเมอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ถูกพ่นออกมาจากหัวฉีด ปลายของอากาศอัดจะกระทำต่อโพลิเมอร์และดึงเส้นใยร้อนให้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-10 ไมโครเมตรด้วยความเร็วลมสูงกว่าความเร็วเสียง (550 เมตร/วินาที) ตามคุณสมบัติทางกายภาพ ตาข่ายดังกล่าวเรียกว่าตาข่ายไมโครไฟเบอร์ เส้นใยละเอียดพิเศษเหล่านี้มีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำที่เป็นเอกลักษณ์ ช่วยเพิ่มจำนวนและพื้นที่ผิวของเส้นใยต่อหน่วยพื้นที่ ทำให้ผ้าที่ผลิตด้วยวิธีการพ่นหลอมมีคุณสมบัติในการกรอง ป้องกัน ฉนวน และดูดซับน้ำมันได้ดี สามารถนำไปใช้ในวัสดุกรองอากาศและของเหลว วัสดุฉนวน วัสดุทำหน้ากาก และด้านอื่นๆ ได้
กลไกการกรองของหน้ากากอนามัยประกอบด้วย การแพร่แบบบราวน์ การดักจับ การชนเนื่องจากแรงเฉื่อย การตกตะกอนเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และการดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิต สี่อย่างแรกเป็นปัจจัยทางกายภาพ ซึ่งเป็นคุณสมบัติตามธรรมชาติของผ้าไม่ทอที่ผลิตโดยการพ่นหลอมเหลว คุณสมบัติการกรองอยู่ที่ประมาณ 35% ซึ่งไม่ตรงตามข้อกำหนดของหน้ากากอนามัย เราจำเป็นต้องทำการบำบัดวัสดุด้วยความร้อน ทำให้เส้นใยมีประจุไฟฟ้า และใช้ไฟฟ้าสถิตในการดักจับละอองลอยที่มีไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ปะปนอยู่
อนุภาคแอโรโซลของไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ (Novel Coronavirus aerosol) ถูกดักจับโดยการดูดซับไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ผ่านแรงคูลอมบ์ของเส้นใยที่มีประจุ หลักการคือการทำให้พื้นผิวของวัสดุกรองเปิดมากขึ้น ความสามารถในการดักจับอนุภาคจะแข็งแกร่งขึ้น และความหนาแน่นของประจุที่เพิ่มขึ้น การดูดซับอนุภาคและผลกระทบจากการโพลาไรเซชันจะแข็งแกร่งขึ้น ดังนั้นชั้นกรองของวัสดุกรองแบบไม่ทอที่เป่าละลาย (melt-blown non-woven filter material) จะต้องผ่านกระบวนการนี้ โดยจะต้องไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้เงื่อนไขความต้านทานการหายใจ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการกรอง 95% ซึ่งมีประสิทธิภาพในการป้องกันไวรัส
หลังจากค้นคว้าข้อมูลมาบ้างแล้ว ฉันก็พอเข้าใจส่วนประกอบของหน้ากากในมือคร่าวๆ คือ ชั้นนอกทำจากผ้าไม่ทอแบบเจาะรูด้วยเข็มที่ทำจาก PP ส่วนชั้นกลางประกอบด้วยชั้นถ่านกัมมันต์และชั้นผ้า PP แบบพ่นละลาย
เวลาโพสต์: 29 สิงหาคม 2563