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撰文 七君
經過這幾個月的學習，許多人都知道外科口罩和N95口罩的核心就是中間的那個夾層——熔噴棉。
如果你還不知道，那麼我們先來簡單回顧一下。
外科口罩都分為3層，外面的兩層是紡粘無紡布，中間的是熔噴棉。不管是紡粘無紡布，還是熔噴棉，都不是棉花做的，而是塑料聚丙烯（PP）做的。
中石化用於生產熔噴棉的聚丙烯
北卡羅來納州立大學無紡材料研究所的副所長、材料學教授 Behnam Pourdeyhimi 介紹，外科口罩的前後兩層無紡布是沒有過濾微生物的功效的，它們只能阻隔液滴，只有中間的那一層熔噴棉才具有過濾病菌的作用。
合格的N95口罩和外科口罩的夾層是熔噴棉
新冠爆發後，熔噴棉的價格也是飛漲，從之前的一噸6千美金，漲到了一噸6萬美金。
可是問題來了，紡粘無紡布和熔噴棉的原材料都是聚丙烯，為什麼只有熔噴棉才有過濾病菌的功能，而且它供不應求呢？
簡單來說，這是因為醫用熔噴棉的纖維賊細，而且製造醫用熔噴棉的機器賊貴而且交貨時間長。
先說熔噴棉的過濾功能。
其實，纖維的過濾效率（FE）是纖維的平均直徑和填充密度決定的，纖維直徑越小，過濾效率越高。
電子顯微鏡下的熔噴棉纖維 圖片來源：（DOI） 10.1039/C7RA10916D
熔噴棉成品纖維的直徑大概在0.5-10微米之間，而紡粘層纖維直徑在20微米左右。因為纖維超細，所以熔噴棉有很大的表面積，可以吸附各種微顆粒。更厲害的是，熔噴棉還比較透氣，因此是製作口罩濾芯的好材料，而紡粘無紡布不行。
來看看這兩種無紡布的製造過程。
製作紡粘無紡布時，聚丙烯熔化以後被拉成絲，然後結成網——
和紡粘無紡布相比，熔噴棉的技術高端多了，實際上熔噴技術是目前唯一用於大規模生產微米級纖維的技術。
熔噴棉的製造過程類似於做棉花糖。
機器可以產生高速熱氣流，熱氣流將熔化的聚丙烯從開口極小的熔噴噴頭噴出，效果和噴霧一樣——
迷霧一般的超細纖維會在滾筒或者平板上聚集起來，成為熔噴無紡布——
實際上，熔噴技術靈感來自自然界。你大概不知道，大自然也會製造熔噴材料哦。
在火山口附近常有一些長相奇怪的假髮，它們是火山毛（Pele’s hair），這是玄武岩岩漿被火山口的熱風吹成的。
夏威夷火山附近的火山毛
有時在火山附近的樹梢、電線杆上，也可以找到火山毛。
20世紀50年代，美國海軍研究實驗室（NRL）首次採用熔噴技術製造過濾放射性物質的纖維。現在，熔噴技術除了可以製造過濾水和氣體的濾材，還被用於製造工業上的隔熱材料礦棉（Mineral wool）。
礦棉 圖片來源：wikipedia
但是，熔噴棉本身的過濾效率只有25%左右，N95口罩的95%的過濾效率是怎麼來的呢？
這就要聊一聊醫用熔噴棉製造過程中很關鍵的一步了——靜電駐極處理。
是這樣的，我們剛才說過口罩的過濾效率和直徑和填充密度有關。但是，如果織得太密，口罩就不透氣，戴的人就很難受。
如果不做靜電駐極處理，能讓人感覺不會憋死的熔噴布的過濾效率就只有25%。
怎樣才能在保證過濾效率的同時提高透氣性呢？
1995年， 田納西大學的工程學家蔡秉燚（Peter P. Tsai）用想到了工業過濾中使用的靜電除塵技術（electrostatic precipitation）。
在工業上（比如工廠的煙囪），為了過濾極小的顆粒，工程師會用電場給微粒帶電，然後用電網把它們吸住。
用靜電除塵技術過濾空氣
受到這種技術的啟發，許多人都曾嘗試給塑料纖維帶電，但是沒有成功。但是蔡秉燚卻做到了，他發明了一種給塑料帶電的方法，將空氣離子化，為熔噴布帶靜電，使其變成駐極體，也就是永久帶電的材料，類似於皮卡丘。
變成皮卡丘後，1層皮卡丘熔噴布不僅抵10層沒過電的，還能夠吸引直徑為100納米左右的顆粒，比如新冠病毒。
可以說，有了蔡秉燚的技術，才有了N95口罩。世界上數十億人的生命都被這種技術保護著。
無巧不成書，蔡秉燚的靜電駐極技術恰好叫做 the corona electrostatic charging，對，就是冠狀病毒的同款 corona，不過這裡的 corona 是電暈的意思。
高壓電線圈的電暈放電 圖片來源：wikipedia
看完醫用級熔噴棉的製造過程，你就明白它的技術難度了。實際上，熔噴棉製造過程中最難的部分可能就是製造製造熔噴棉的機械了。
今年3月，熔噴機械供貨商德國 Reicol 公司的銷售總監 Markus Müller 在接受美國全國公共廣播電臺（NPR）採訪時表示，為了保證纖維夠細且質量穩定，熔噴機器需要很高的精度，不好製造，一臺機器的生產和組裝時間至少要5-6個月，每臺機器的價格可達4百萬美金，而市面上的許多機器的質量層次不齊。
埃克森美孚生產的熔噴噴頭 圖片來源：Advances in Technical Nonwovens
佛羅里達的 Hills, Inc 是世界上少數幾個能製造熔噴棉設備噴頭的廠家，該公司的研發經理 Timothy Robson 也表示熔噴棉設備的技術含量很高。
雖然我國口罩年產量約佔全球的50%，是第一大口罩生產國和出口國，但根據中國產業用紡織品行業協會2月份的數據，全國熔噴無紡布產量不到10萬噸/年，熔噴無紡布的缺口很大。
考慮到熔噴布製造機械的價格和機器交貨時間，小型企業是不太可能在短時期生產大量合格的熔噴棉的。
所以一個新的問題來了：怎麼判斷買到的口罩是合格的，而且是用熔噴棉做的呢？
其實方法很簡單，分三步走。
首先，因為夾心餅乾的外層紡粘無紡布具有防水性，合格的醫用口罩應該是防水的，都不防水的話還怎麼過濾口腔噴射的液滴？你可以像這位大哥一樣倒一點水上去試試——
其次，聚丙烯不容易著火，遇熱倒是容易熔化，所以熔噴棉是不會燃燒的。如果用打火機烤，熔噴棉會捲起來漾掉，但是不會著火。
換句話說，如果你買到的口罩的中間層用打火機烤了會著火，那就是妥妥的假貨。
第三，醫用熔噴棉是皮卡丘，帶有靜電，所以可以吸起小紙片。
當然，如果你需要多次使用同一個口罩，N95的發明人蔡秉燚本人也有消毒的建議。
今年3月25號，蔡秉燚在田納西大學的網頁上表示，醫用口罩和N95口罩的靜電駐極效果很穩定，即使用70攝氏度的熱風為口罩消毒30分鐘，也不影響口罩的駐極體性質。不過，酒精會把熔噴布的電荷帶走，所以不要用酒精對口罩進行消毒。
蔡秉燚對醫用口罩的再使用消毒建議 圖片來源：utrf.tennessee.edu/information-faqs-performance-protection-sterilization-of-masks-against-covid-19
對了，由於熔噴棉有超強的吸收阻隔過濾防滲漏技能，不少女性用品和尿不溼也是用它做的，金佰利公司最早申請了相關專利。
金佰利公司 的專利產品 MICROFORCE 和醫用口罩類似，也是夾心的結構，外面兩層是紡粘無紡布，中間是熔噴布，熔噴布可以吸水。
可以把這個有用的知識轉給戴口罩的朋友
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（本期編輯：王芳）
