口罩及其熔喷布的接触角测量：如何提高口罩的防护效果，延长口罩的使用寿命

经专家确认以及实践证明，口罩是防护以及有效抗击新冠肺炎的手段。因而，2020年，口罩也成为了新的战略物资以及人们生活的必需品之一。口罩随着中国新冠肺炎疫情的缓和，口罩需求有所缓解，口罩的供需矛盾得以初步解决。在疫情严重期间，口罩严重供应不足从而迅速扩大产能，虽然绝大多数的生产厂家均能够保证质量。但是，在防护方面口罩的工艺质量要求以及如何提升口罩的防护性能，在疫情期间出现的如何提升口罩的使用效率，解决重复使用的问题等等问题仍然是一个没有得到根本解决。

从口罩的分类来看，目前主要分为KN95以及类似级别口罩（含电动口罩机）、医用一次性口罩、PM2.5防雾霾口罩、保暖口罩、一次性普通口罩、口罩滤芯等。其中，医用一次性口罩以及KN95级别口罩是目前确认可以用于有效防疫新冠肺炎的传染。从口罩的生产工艺来看，医用口罩分为三层，中间为过滤层，可以起到过滤细菌或者病毒的作用，避免致病微生物侵入人体导致呼吸系统疾病。医用口罩分为医用外科口罩和医用N95型口罩两种，医用外科口罩可以过滤空气中30%左右的细菌或者病毒，避免其侵入人体，医用外科口罩适合于普通的大众群众，而对于在医院以及防疫等部门工作的人群来说，建议佩戴使用医用N95型口罩，可以过滤空气中95%以上的细菌或者病毒，避免侵入人体的呼吸系统，而普通口罩没有过滤的作用，只起到预防、保暖的作用。

而欧洲以及3M公司的KN口罩通常提供5层，包括了外层无纺布层、两层熔喷布层（超细聚丙烯纤维熔喷材料层）、活性碳层以及内层内层为亲肤材质（普通卫生纱布或无纺布）。

而普通的KN95口罩通常仅有四层，包括内外无纺布层以及中间两层熔喷布层。

小米的智米口罩则提供了5层，如下图所示：其外层采用了聚氨脂海棉材料、中间两层熔喷布层以及两侧各一层初效过滤层。

经实践证明以及专家确认，医用一次性口罩以及KN95级别的口罩对于新冠肺炎具有有效的防护作用。而其中最为关键的在于这两种口罩中间的熔喷布（超细聚丙烯纤维熔喷材料层）层。 2月6日，飞纳电镜发布了《一次性口罩能否消毒后重复使用？——扫描电镜的实验结果公布》（https://mp.weixin.qq.com/s/ALX9kvR818bvXj7Nwu3ocg），得到的结论是：“即便对于细到 0.5 微米的纤维（比头发丝细 150 倍），也没有想象中那么脆弱。与对照组比，酒精浸泡，蒸，煮后，纤维的原始微观结构都保持完好，纤维直径分布，膨松性等并未发生改变，未发现纤维断裂，腐蚀。”同时，他们发现“经过三次 75% 酒精喷雾消毒后，口罩依然具有静电吸附能力”。

为了进一步揭示口罩特别是防病毒口罩的生产工艺要求、材料性能要求以及如何提升口罩的防护性能、如何提高口罩的使用寿命，本文将从界面化学以及接触角分析测量技术方面进一步进行论证。

一、材料准备：

1、口罩准备：

我们准备了电动口罩（原森态公司）、3M保暖口罩、小米智米口罩、3M公司R95口罩、欧洲Willson公司FFP1、上海港凯净化制品有限公司KN95口罩、一次性医用口罩等各1个。

2、蒸馏水、75%医用酒精及酒精棉、84消毒水并按1：10配比配制消毒液。

3、测试设备：

接触角测量仪（美国科诺工业有限公司KINO，SL200KS型）、海尔微波炉、小米紫光UV消毒机。

二、测试方法：

1、采用接触角测量仪测试外层材料的接触角值，包括棉布（保暖口罩）、无纺布（医用口罩以及KN95口罩）、聚氨脂海棉材料的接触角值。

2、将KN95口罩、医用一次性口罩用剪刀切下部分，并取出中间热熔布部分。将热熔布分成7组进行对比测试，包括不作处理的① 作为对照组，不做任何处理，② 75% 酒精浸泡 1 小时，③ 酒精棉擦洗，④沸水煮 10 分钟，⑤ 蒸汽蒸 7 分钟，⑥微波炉小火2分钟，⑦84消毒处理。酒精浸泡、酒精擦洗、沸水煮以及蒸汽蒸、84消毒处理后均采用吹风机吹10分钟烘干处理。

3、接触角测试的方法：

（1）接触角测量仪吸入蒸馏水并采用阿莎算法（ADSA-RealDrop）测试蒸馏水的表面张力值。若表面张力值不符合文献值（20℃ 72.75mN/m，误差±0.5mN/m），则进行针头、进液器的清洗，直到测值结果符合文献值。通过本测试流程，确保测值结果的重复性以及可对比性。本次实验结果的表面张力值为18℃ ，73.1mN/m）

（2）将测试材料采用夹具夹持保证水平度后，采用激光水准仪，调整样品的上表面水平度后，进行接触角测量。

（3）接触角测量的测试方法为阿莎算法（ADSA-RealDrop），可以自动修正重力影响以及将表面张力值参与运算。阿莎算法可以有效避免人为误差以及重力的影响。而其他的算法如椭圆拟合法以及TrueDrop法、圆拟合法由于其基于1980－90年代的量角器原理，没有精度、科学性不强，本实验将不采用这些测试方法。

（3）对不同的外层材料进行至少3个位置点的接触角测量，并取平均值。

（4）对7组对比实验的热熔布分别进行至少3个位置点的接触角测量，并取平均值。

三、结论与讨论：

 1、口罩外层不同材料的接触角值对比结果如下表所示： 

从如上数据可以看出：

（1）3M保暖口罩棉布层以及其他经过特殊处理的棉布层，通常采用了疏水剂处理，因而，其接触角值通常较大。在一般情况下接触角值均可以轻易达到近140度左右，超疏水处理后，接触角值可以达到150度以上，具有极好的疏水疏油性，可以起到很好的防水、防油效果以及防尘效果。

（2）一次性医用口罩的无纺布表面处理后，也具有一定的疏水效果。但是，这种疏水效果事实上是由于其本身的低表面自由能以及无纺布本身的绒毛状结构将小体积的测试蒸馏水托起，因而形成了假性疏水接触角值。这种接触角值无法经受疲劳测试或长时间，多次使用。长期使用后，极易导致接触角值明显下降。

（3）通常的无纺布以及滤芯材料其接触角值通常为120－130度左右。这是未作特殊处理的无纺布的实际接触角值，同时这个接触角值也是由于无纺布本身的绒毛结构托起水滴造成的假性弱疏水角特征。

（4）聚氨脂槔或未经处理的棉布，由于其弱亲水性，从而在实际应用于防护时事实上效果较差。不建议使用。

综上可以看出，作为外层材料，我们的建议方案为疏水材料处理过的棉制产品或纤维产品更为适合。而内层贴近人的皮肤层，则建议采用无纺布层，以保护人的皮肤，同时也可让人感觉较为舒适。

 （1）3M保暖口罩棉布层：

（2）一次性医用口罩无纺布接触角值

（3）Willson口罩无纺布

4、原森态滤芯外层

5、1次性口罩滤芯外层无纺布：

6、 小米智米聚氨脂泡沫棉

 2、热熔布层（超细聚丙烯纤维熔喷材料层）的接触角测量结果

7组对照组的接触角测量结果如下表所示：

通过如上数据可以看出：

（1）酒精浸泡与酒精棉擦洗均不会对熔喷布造成明显的影响，接触角值没有处理时均值为138.59度，而酒精浸泡后接触角值为139.29度，酒精棉第一次擦洗时接触角值为138.。这个同如上《一次性口罩能否消毒后重复使用？——扫描电镜的实验结果公布》中的结论是一致的。

（2）酒精棉多次擦洗会导致熔喷布的接触角值变小，因而重复多次使用极可能导致熔喷布的寿命减短，同时防护效能会降低。

（3）沸水煮和蒸汽蒸均不会对接触角值造成明显变化，接触角值仍大于136度。

（4）微波炉小火加热处理会明显提升熔喷布的接触角值，因而，防护效能有明显提升。

（5）84消毒液处理后的接触角值出现明显变小，水滴非常容易渗透到熔喷布里。因而，不能采用84消毒液进行消毒处理。

综合如上可以得到结论：

（1）酒精消毒处理和水蒸或煮均不影响熔喷布的接触角值，也不影响口罩的防护效果。

（2）熔喷布的有效防护的接触角值的最低临界值建议为135－136度。低于135度接触角值的熔喷布视为不合格产品。

（3）84消毒液不能有被使用消毒。

（4）微波炉加热处理以及UV紫外消毒是最好的消毒方式，建议使用。

 (1)对照组，不做任何处理的熔喷布接触角值图谱

(2)75% 酒精浸泡 1 小时口罩熔喷布的接触角测量图谱

(3)酒精棉擦洗一次口罩熔喷布的接触角测量图谱

(4)沸水煮 10 分钟口罩熔喷布的接触角测量图谱

(5)蒸汽蒸 7 分钟口罩熔喷布的接触角测量图谱

(6)微波炉小火2分钟口罩熔喷布的接触角测量图谱

(7)84消毒液处理后的口罩熔喷布的接触角测量图谱