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膜所研发出替代熔喷布的新型过滤材料,制成的KN95口罩可反复水洗、多次使用

 

自新冠肺炎疫情爆发以来,口罩需求量与日俱增,全国超过3000家企业新增了口罩业务。作为口罩过滤环节的关键材料,纤维直径只有头发丝三十分之一的熔喷布堪称医用外科口罩和KN95口罩的“心脏”,供应十分紧张,市场价格翻了十几倍,可以说是“一布难求”。
为了缓解当前市场熔喷布供不应求的紧张局面,江苏产研院膜科学技术研究所(以下简称“膜所”)充分发挥专业优势,开发了一种新型过滤材料——纳米蛛网仿生膜,并应用到高性能膜法口罩的生产中,用膜技术成果扛起战“疫”使命担当。
 

 

无需加静电,过滤效率高

 

       纳米蛛网仿生膜纤维直径在100-200nm范围内,纤维之间相互交错,形成三维蛛网状结构,形成的微孔尺寸可控制在0.1到0.5μm范围内。“相比于纤维无序堆积、直径1000nm以上的熔喷材料,纳米蛛网仿生膜具有孔隙率高、孔径小、过滤阻力低、过滤精度高等优势。”膜所仲兆祥教授介绍。

       通常空气中含有大量带有正电荷与负电荷的细颗粒污染物,当空气中的这些带电粒子经过驻极体附近时,会被强烈的吸附在驻极纤维上,同时不带电的粒子会在驻极体形成的电场中因感应而极化,也会被吸附在纤维上。传统熔喷材料本身孔径较大,需要采用添加静电的方式提高过滤效率,而静电受环境中温度湿度等影响,在短时间内就会失效,因而过滤效率急速降低,所以市场上用传统熔喷布生产的医用口罩只能一次性使用。

       仲兆祥教授介绍说,纳米蛛网仿生膜材料因其孔隙率高、孔径小、过滤阻力低、过滤精度高的特点,无需加静电,通过筛分作用截留污染物,能有效过滤99%以上的非油性颗粒,有效拦截各种固体气溶胶、飞沫和病毒,无需担心遇液体过滤效率降低的问题,同时具有良好的透气性,不会产生呼吸的不适感。

 

可水洗、酒精消毒,使用寿命长

 

       目前,市场上大多数医用外科口罩都是一次性的,最长使用时间为四小时,KN95口罩虽然使用时间长一些,但也不能长期反复使用。这是因为通过荷电作用吸附污染物的熔喷材料,一旦遇水容易发生静电中和现象,会导致口罩过滤效率降低,因此用熔喷布生产的口罩在普通清洗后就无法重复利用。

       “纳米蛛网仿生膜材料孔径小,主要通过物理作用截留污染物,无需担心遇液体效率降低的问题。” 仲兆祥教授团队的博士生武军伟介绍说,“我们团队研究人员将膜材料在水中和75%酒精中浸泡多次后,过滤效率不受影响,均保持在99%以上,说明膜材料口罩可以用水清洗或者酒精消毒后重复使用,这样大大增加了口罩的利用率。

武军伟说,“我们从使用寿命、重复使用性和透气性等方面进行的多次对比实验结果表明,纳米蛛网仿生膜材料作为一种新型过滤材料,与传统熔喷材料对比,具有更加优异的截留及透气性能,因而能够重复使用,寿命更长。”

 

制作口罩、医疗防护服等,应用范围广

 

据介绍,膜所研发的纳米蛛网仿生膜材料除了可用于制作口罩外,还可以用于医疗防护服、空气净化器等领域。
仲兆祥说,基于纳米蛛网仿生膜材料制作的防护服,具有良好的抗菌拒水性能,是医疗防护中等级最高的医用防护服,它的特点是人体的汗气可以向外散发,而外面的水和细菌病毒等不能进入。“纳米蛛网仿生膜材料每平方厘米约有 10 亿个孔,孔隙率高达 90%以上,孔径为 0.2 μm左右,是水滴直径的万分之一,但比水汽分子的尺寸大 700 倍左右,液态水进不来,汗气可以透出,从而能达到优异的防水透湿性。”
在工业领域,经过双疏改性的空气净化膜用于烟尘的超低排放控制,已经推广应用了上百套工程装备,产生经济效益二十多亿元,先后获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖、中国膜工业协会科学技术一等奖、侯德榜化工科学技术青年奖等奖励。
目前,空气净化膜材料和膜法口罩已经在上百家单位使用,为坚持在防疫一线工作的人员提供了有力保障。近期膜所也陆续收到南京市浦口区慈善总会、意大利国家研究院、美国过滤与分离协会等国内外机构的感谢信,感谢膜所捐赠膜技术防疫口罩物资。在南京市政府召开的防疫物资主题会议上,空气净化膜技术受到了南京市工信局、科技局等部门的高度重视,帮助联系落实了多家企业进行空气净化膜口罩的生产对接,为战胜疫情做出了应有的贡献。

 

 

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