浅析高分子材料在抗击新冠肺炎疫情中的作用

浅析高分子材料在抗击新冠肺炎疫情中的作用

2019年末，新型冠状病毒（covid-19）开始在全球范围内蔓延，并对人类生命财产安全提出了重大威胁。自疫情爆发以来，在党中央的坚强领导下，全国人民万众一心，众志成城，在抗击疫情的斗争中取得了举世瞩目的阶段性胜利。在这场没有硝烟的“持久战”中，高分子材料发挥了举足轻重的作用。从个人防护必需的口罩到医护人员专用的防护服和防护眼罩，再到此次抗疫中起到举足轻重作用的两大医院的建设，随处都可以看到高分子材料的身影。本文将从科普的角度，简要介绍抗击新冠肺炎疫情中所涉及的高分子化学、高分子物理和高分子加工的相关知识。1抗病毒以及熔喷布众所周知，飞沫传播是新冠病毒的重要传播途径，佩戴医用口罩可有效阻断因病毒和含病毒的飞沫核吸入口鼻引起的飞沫传播。医用口罩包括医用防护口罩、医用外科口罩和一次性医用口罩从PP合成过程可以看出，整个聚合过程主要涉及气态单体丙烯和固体催化剂，因此所合成的PP纯度较高，具有低毒甚至无毒的特点。根据其中甲基的取向，聚丙烯有三种不同构型：等规聚丙烯(isotacticpolypropylene,i-PP)，间规聚丙烯(syndiotaticpolypropylene,s-PP)和无规聚丙烯(atacticpolypropylene,a-PP)在口罩的多层结构中，外层纺粘层防水，主要起阻挡外界飞沫进入的作用；内层纺粘层亲水，可以吸收佩戴者呼出气体中的水汽，保证一定的佩戴舒适性。真正起到过滤病毒作用的是中间的熔喷层。广义上讲，熔喷布也算一种无纺布，其产品不是通过纺丝制造，而是将纤维以一定方式直接粘连而成。熔喷技术最早由美国海军在20世纪50年代开发，后来经Exxno、Chisso、Tandec、Fiberweb等公司除了常规的拦截效应、惯性效应、布朗运动和重力作用等，医用口罩阻隔病毒的一大“法宝”是静电吸附：即对熔喷非织造材料进行驻极化处理，使材料带电，提高材料与颗粒间吸附的能力。驻极体是一种能长期保持极化状态的电介质材料，在其表面和内部均存在大量的偶极电荷或空间电荷，在周围空间存在电场(图2右下侧图)为了解决上述两个问题，北京化工大学的研究人员提出了“口罩荷电再生重复使用技术”2非织造布的抗凝整理对于医护人员来说，仅仅佩戴口罩是远远不足以防止病毒感染的。根据世界卫生组织的建议，除N95/FFP2级别或以上的口罩外，医护人员还应该穿戴医用外科防护服、医用防护眼镜、医用手套等防护装备(如图3所示)通常来讲，医用外科防护服的材料一般是聚丙烯和聚乙烯，也有可降解的聚对苯二甲酸乙二醇酯或更疏水的聚四氟乙烯等。为了实现“三拒一抗”的基本要求，一方面需要考虑高分子材料的表面性质，另一方面还需要考虑这些高分子薄膜的透气性。对于非织造布进行“三拒一抗”后整理的主要原理是利用相应的整理液改变纤维的表面张力，降低其表面能。常见的操作技术包括二浸二轧的浸轧法、喷雾整理法、丝网印花涂层法、刮刀涂层法、泡沫整理法等聚乙烯透气膜的制备过程中需要用到无机碳酸钙颗粒作为“致孔剂”，其基本原理为此外，面部，尤其是眼睛的防护也显得非常必要。一般情况下通过佩戴医用防护面罩或防护眼镜来进行面部和眼睛的防护。医用防护面罩或防护镜要求具有一定的机械强度，不易起雾，同时要保证良好的透明性。常用的材料有聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。其中聚碳酸酯材料是一种结构对称的线性聚合物，透光率可达90%，硬而韧，抗冲击性能尤为突出，有良好的综合力学性能。医护人员要频繁接触各种病人，因此手的防护也显得极其重要。医用手套可分为医用外科手套及检查手套。国家卫健委在2020年1月26日印发的《新型冠状病毒肺炎防控中常见医用防护用品使用范围的指引(试行)》中的医用防护类手套，明确规定规范品为乳胶检查手套3ecmo治疗并发症的研究进展新冠肺炎病毒严重侵蚀人体的肺部，临床上对重症病人需要通过体外膜肺氧合(ExtracorporealMembraneOxygenation,ECMO)进行辅助呼吸。如图4所示，ECMO的本质就是体外循环技术，其原理是将体内的静脉血引出体外，经过特殊材质人工心肺旁路氧合后注入病人动脉或者静脉系统，起到部分心肺替代作用，维持人体脏器组织氧合及血供。对于新冠肺炎患者，其肺中积累了大量病毒感染造成的黏液，导致肺脏无力“工作”。采用ECMO可让患者肺脏得到休息，争取到吸收黏液的时间，从而恢复健康氧合器的功能是将非氧合血氧合成氧合血，又叫“人工肺”。膜肺材料经历了第一代固体硅胶膜、第二代微孔中空纤维膜和第三代聚4-甲基1-戊烯(PMP)中空微孔纤维膜显而易见，PMP中空微孔纤维膜丝是ECMO的关键材料之一。PMP的合成与传统聚烯烃类似，可以通过齐格勒-纳塔催化剂催化的配位聚合得到(图5左下侧图)。然而，目前国内PMP的合成研究较少，主要原因是我国还没有一套丙烯二聚生产4-甲基-1-戊烯的工业装置。与常规聚烯烃材料不同，PMP是唯一一种晶相密度小于非晶相的半结晶高聚物。PMP具有良好的氧气通量和氮氧选择性，低溶出及生物安全性，被公认为“肺膜氧合器”的最优介质PMP微孔膜丝的制备方法主要有热致相分离法、相转换法、熔融拉伸法等。以目前常用的热致相分离法(TIPS)为例，其具体原理和工艺流程如下(图5)4土工防渗材料为了实现感染患者的集中治疗，参照2003年抗击非典期间北京小汤山医院的模式，党中央决定在武汉建立火神山和雷神山两座应急医院。在火神山、雷神山两座医院的建设过程中，高分子材料的身影也随处可见，除医疗机械外，还有防渗膜、吊装箱式板房、各种胶黏剂等为了防止医疗废水的渗漏，建设过程中所用的土工防渗材料是以高密度聚乙烯(HDPE)为防渗基材，与PP无纺布复合而成。HDPE结晶度较高，具有较高的抗拉伸强度及良好的抗变形能力。PE材料本身软而韧、抗冲击、耐腐蚀、耐溶剂，所制得的土工膜防渗性好，抗氧化，使用寿命长，在全球范围内广泛应用。两种材料复合而成的防渗膜具有排水和防渗的双重作用，可以保护周边土壤和水体免受医疗废水和传染性废物的影响。两座医院之所以能在短短10天左右快速建成，装配式建筑技术在其中起到了决定性的作用。虽然集装箱板房中的主要结构部件是以钢结构和混凝土浇筑为主，但是在屋面板、地板、门窗、围挡及结构夹心等部位，仍能看到大量的高分子材料。例如，常见的集装箱屋面板采用玻璃钢即玻璃纤维和不饱和树脂结合而成的复合材料制成，轻质高强耐高温；房屋地板多采用PVC材料，耐磨防滑耐腐蚀，有限氧指数高；橡塑合金NBR/PVC橡胶发泡保温材料和酚醛泡沫板是常见的保温绝热材料，酚醛树脂还可作为集装箱底板的胶黏剂。5材料和防护装备的供应综上，在抗击新冠疫情这场没有硝烟的战役中，高分子材料发挥了重要的作用，也让我们深深感受到高分子材料研究的重要性和进一步提升我国高分子研究和高分子工业的迫切性。首先，疫情的突然来袭和相关材料的供应紧缺，再次提醒我们要加强关键高分子材料研发过程中相关科学问题的深入研究，尤其是目前仍处于“卡脖子”阶段的PMP、碳酸钙颗粒等。其次，防护装备的佩戴舒适性等问题也是将来需要考虑的一个问题。虽然目前已经由企业通过3D打印技术进行制造，但是费用昂