新冠肺炎疫情期间高分子防护装备的研究

新冠肺炎疫情期间高分子防护装备的研究

2020年初，疫情如此之高，以至于世界上如此之高。非常幸运的是，中国人民群策群力，众志成城，科学防疫，在最短的时间内率先控制了疫情的传播，恢复了正常的社会生活秩序。研究已经发现，新冠病毒具有极强的传染性，既可以通过喷嚏、咳嗽形成的飞沫直接传播，也可以通过飞沫混合在空气中形成气溶胶传播。目前没有针对性的特效药，而且有迹象显示这种病毒有可能将长期与人类共存，因此控制新冠疫情的有效方法是进行隔离防护、切断病毒的传播。在整个防疫战疫过程中，无论是普通大众还是医护人员都必须注意进行有效的防护隔离。普通大众居家隔离，出门佩戴口罩；医护人员则全身“武装”，从头到脚穿戴专业的防护装备，保护自身的安全。“工欲善其事，必先利其器”，与疫情搏斗不仅需要科学的方法，还需要各种各样高效的防护装备。常见的医用防护装备包括：医用防护服、护目镜或防护面罩、外科口罩、N95口罩、医用手套、输液袋等(图1)。这些防护装备的制备材料大多是用高分子材料。为什么在众多的各种材料中选择高分子材料作为防护隔离材料呢？为什么在新冠病毒防疫抗疫中高分子材料能如此“大显身手”？这正是由高分子材料独特的结构和优良的性能所决定的。高分子材料质轻，不像金属材料那么重，却可以像金属一样坚固1聚丙烯口罩的特性疫情期间，防护用品中首当其冲的是口罩。口罩几乎是大家出门必备的标配装备，甚至曾出现一罩难求的现象。期间市面上出现的口罩形形色色，但对阻隔新冠病毒真正有效的是医用外科口罩或者更高标准的N95口罩。医用外科口罩看起来非常简单，事实上它包含有三层结构：上下表层起抗湿抗菌和支撑作用，中间层起关键的吸附过滤作用(图2)。它们都是由常用的高分子材料——聚丙烯(Polypropylene,PP)制成的，表面两层为聚丙烯纺粘无纺布，中间层为聚丙烯熔喷无纺布。高分子是由许多结构相同的重复单元通过共价键键接而成的大分子，长链状结构，分子量可达几万、几十万甚至更高。以聚丙烯为例，其合成原料是石油裂解产物丙烯(CH聚合过程中，丙烯中的取代甲基(―CH聚丙烯是最常见的通用高分子材料之一，和其他许多高分子材料类似，具有以下独特的优良性能：(1)质量很轻，密度仅为0.903g·cm(2)化学性质稳定。由于其结构式中不含有活泼官能团，化学性质稳定，耐化学腐蚀；(3)防水性好。聚丙烯分子结构中只含有C―C主链和大量侧甲基，它们都具有很强的疏水性；(4)比强度高，即材料的力学强度高但质量很轻；(5)无毒；(6)电绝缘好；(7)价格低廉。这些优良性能使得它在众多工业领域和日常生活中具有广泛的应用。我们日常生活中的塑料桶、塑料篮、微波炉用食物容器和某些塑料瓶等大多是聚丙烯材质的，这些塑料制品的底部通常标有表明聚丙烯材质的数字标识5，作为医用防护隔离用品，医用防护口罩(包括医用防护衣)需要具有优良的病菌过滤阻隔功能，同时要兼具防水透气、无毒抗菌的性能。这些要求使得聚丙烯成为非常合适的制作材料。这里可以与普通棉纤维口罩进行对照。普通棉纤维是由棉纱制成，其主要成分是纤维素，是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键形成的天然高分子多糖。由于分子结构中含有大量羟基(―OH)，很容易吸潮，不能防水，同时糖苷键在一定条件下还会水解。由棉纤维形成的网络孔隙也较大，只能过滤一些粒径较大的污染颗粒，对新冠病毒不能有效过滤阻隔。聚丙烯是热塑性塑料，在高温时(等规聚丙烯熔点为200°C)可以软化乃至熔融，冷却时则固化成型，所以根据应用需求可以通过不同的生产工艺加工成各种型材，如薄膜、容器、纤维等。在口罩中聚丙烯是以聚丙烯纤维(俗称丙纶)的形式存在的。高熔融指数、流动性好的聚丙烯在高温下经过分丝可形成聚丙烯纤维，将这些长短不一的高分子纤维进行定向或随机排列形成纤网结构，再通过机械粘合、热粘合或化学粘合等方法将纤网加固便得到无纺布(NonwovenFabric)按照不同的生产工艺，可以加工成种类不同、用途不同的无纺布以满足不同需求。医用口罩中使用的主要是聚丙烯的纺粘无纺布(纺粘布，Spunbond)和熔喷无纺布(熔喷布，Meltblown)。纺粘无纺布和熔喷无纺布的生产原理有点类似，都是首先将热塑性聚丙烯原料加热到熔融状态，从模头喷丝孔挤出，同时用空气流对挤出的聚丙烯熔体进行牵伸，再在收集器上凝聚成纤维网并经粘结固定成型。但由于加工工艺的不同，两者的结构和性能有着较大的差别，表1列举了它们的主要不同点。一般来说，用于生产熔喷无纺布的聚丙烯原料具有更高的熔融指数，流动性更好，在加工时使用更高的加热温度和速度更快的高速热空气流。纺粘无纺布中形成的是直径大约为20μm左右较粗的连续纤维，熔喷无纺布中得到的是直径大约为1–3μm或者更细的、长短不一的超细纤维，图4为两者的扫描电镜(SEM)对照图。纺粘无纺布的纤维较粗，孔隙较大，力学强度高，断裂伸长率大，耐磨性好，适合用作口罩的外层材料，起支撑作用。熔喷无纺布具有大量的细小纤维孔隙、结构蓬松、比表面积非常大，在口罩中起着过滤防御病毒的核心作用。在实际生产过程中，为了进一步提高过滤效率，还会对熔喷布进一步进行静电驻极处理，使熔喷布带上静电电荷。静电电荷效应使得熔喷布纤维表面更开阔，对病毒等微粒的捕获能力增强。这样在医用口罩中最终形成布朗扩散、吸附效应、凝聚截留、惯性碰撞和静电吸附等多重过滤机制，从而有效地过滤阻截新冠病毒2聚乙烯材料的种类防疫中另一个常用防护装备是防护服。医用防护服的作用是阻隔病毒和细菌接触，减少交叉感染。因而要求防护服材料具有“三拒一抗”性能，即拒水、拒血液、拒酒精以及抗静电的性能，同时要兼有良好的透气透湿性能，以提高穿着舒适性。防护服可分为即用即弃型(一次性使用)、限次型和可重复使用型等种类。鉴于新冠病毒的极强传染性，在新冠防疫中最常使用的是一次性即用即弃型防护服。医用防护服的制作材料主要有非织造布类、聚乙烯透气膜/非织造布复合布类、高聚物涂层织物类等。无纺布的概念上面已作介绍，除了聚丙烯外，聚酯(Polyester)和粘胶纤维(Viscosefibre)等也可以制成无纺布用于制作医用防护服。这类无纺布防护服穿着舒适，对病毒和细菌具有一定的防护效果。但由于它们的耐水压性能较低，表面液体容易渗入内部，因而一般只能作为普通无菌外科手术服，在传染性极强的新冠疫情中不宜使用。针对强传染性的新冠疫情，防护服材料一般使用聚丙烯纺粘(S)-熔喷(M)-纺粘(S)复合非织造布(SMS或SMMS)，和聚乙烯透气膜/无纺布复合布。如前所述，纺粘布断裂强度大，耐磨性好；而熔喷布孔隙细，过滤阻隔性能好。将两者复合在一起，制成三层或三层以上的SMS或SMMS型复合非织造布结构，再经抗静电、抗菌等工艺处理，可以充分发挥无纺布和熔喷布各自的性能优势，提高综合应用效果。既具有良好的过滤阻隔效率，又透气防水、柔软舒适防护服材料中另一种常用聚合物是聚乙烯，如Tyvek无纺布用同一种乙烯单体，采用不同的合成方法，可以聚合成化学结构不同的聚乙烯种类，主要包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和线形低密度聚乙烯(LLDPE)三大类，它们的结晶度、密度、力学性能以及使用温度都有较大差异。表2对比了这三种聚乙烯的结构和性质的差异。美国杜邦(DuPont)公司发明的特殊无纺布材料——Tyvek(中文名：特卫强)聚乙烯透气膜是用低密度聚乙烯/线形低密度聚乙烯制成的多孔型拉伸薄膜3材料特性的特性眼睛的粘膜也是病毒传播的一个重要途径。医护人员在工作时，必须佩戴防护眼镜或面罩。作为医用防护镜的材料，需要满足的基本条件是：(1)透光性好，不妨碍视线；(2)化学性质稳定，能够耐受一般的稀酸稀碱的腐蚀；(3)具有足够的力学强度，具有防冲击性(不易碎)；(4)具有良好的防雾性能，遇水汽不起雾。用于制作防护眼镜或面罩的常用材料是聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)。聚碳酸酯(PC)是分子链中含有碳酸酯基的一类聚合物，其中最常用的是双酚A型聚碳酸酯，其结构式如下：聚碳酸酯透明，无味无毒，化学性质稳定，吸水率低，力学性能优良，广泛用于生产眼镜镜片、光盘、餐具、水杯(壶)等各种工业产品，其数字标识为7，用于制作防护眼镜时，聚碳酸酯明显比无机玻璃具有更多的优势(表3)。聚碳酸酯的透光率接近90%，与无机玻璃相当，但其质量较轻(密度约为1.2g·cm4其他常见医用防护用品除了以上几种主要的医用防护用品外，其他很多医用器具也离不开高分子材料。如医用手套、医用输液管和输液塑料瓶(袋)、医用帽、伤口敷布、包扎绷带等等，它们也都是由各种各样高分子制备的。表4列举了常见的其他医用防护用品及其制作材料，限于篇幅，这里不做详细介绍。关于这些防护用品及其性能情况可进一步参考相关文献。5高分子材料的应用前景综上所述，由于具有独特的长链式结构和优异的物理性能，高分子材料在新冠防疫中得以大显身手。不仅如此，在我们的日常生活、通讯电子、医疗化工、航空航天等诸多领域也