如今，口罩已经成为日常生活中的必备物品。或许我们已经习惯了廉价的浅蓝色长方形无纺布在病毒面前构筑的保护屏障，认为一个小小的口罩没有科技进步的空间。

但事实并非如此。一个高科技口罩的诞生，对你我乃至地球都有着重要的意义。

一次性医用口罩(来源：VEER gallery)

用什么布隔离病毒？

我们日常使用的一次性医用防护口罩之所以能够形成针对病毒的屏障，取决于它的中间层——熔喷布。简而言之，熔喷布是一种塑料制品，是将石油工业的产品聚丙烯加热，通过熔喷工艺制成纤维而得到的。

熔喷工艺是一种广泛用于生产过滤产品的工业技术，可生产直径为2-20微米的聚丙烯纤维。经过后续的驻极体处理后，聚丙烯纤维还可以带电，当含有病毒的液滴靠近时，可以发挥“静电力”将其吸附在表面，从而达到保护效果。

聚丙烯熔喷织物的纤维结构(图片来源：参考文献2)

正是这些我们肉眼看不到的纤维结构，让熔喷布成为抵御病毒的“屏障”。因此，聚丙烯在熔喷过程中形成的纤维尺寸尤为重要。

熔融指数较高的聚丙烯制成的熔喷布，纤维直径只有0.1-2微米，比头发丝细几千倍，因此孔隙率较高，可以提高口罩的透气性，降低过滤阻力。一方面提高了抵御病毒的能力，另一方面也让佩戴过程更加舒适。

而且聚丙烯纤维越细，意味着熔喷布的单位面积密度越低，可以减少成品口罩中不可再生化石原料的消耗。

此外，聚丙烯非常稳定，在海洋环境中甚至需要400年才能降解。如果可以降低面罩中熔喷布的密度，则可以减少排放到环境中的塑料废物总量。

因此，把聚丙烯纤维做得更细，同时采取“开源”和“节流”的方式，可以大大减轻地球的负担。

聚丙烯纤维如何变细？

如果能像大圣指挥如意金箍棒一样说“细，细，细”，就能得到直径更小的丙纶，真的毫不费力。但我们没有这样的神奇力量，却也不必气馁。我们有高科技手段来帮助！

当通过熔喷技术制造聚丙烯纤维时，熔融聚合物流体通过喷嘴注入高速气体/空气射流中。气体射流的冲击对聚合物流体产生强大的牵引力，使纤维直径迅速减小到远低于喷嘴直径的尺寸，然后汇集成自粘网络，从而产生微纤维。

熔喷工艺示意图(来源：参考文献3)

熔喷设备的喷嘴并不简单，上面分布着上百个孔，作为聚丙烯流体的出口。通过增加喷嘴上的孔数并优化其在喷嘴上的分布，配合特定角度的导气槽，可以将聚丙烯纤维的平均直径降低到300-500 nm。

除了喷头，也许还可以在聚丙烯上做文章。在熔喷过程中，聚丙烯原料需要从固态加热到熔融状态，就像粘性流体一样。提高温度可以降低聚丙烯流体的粘度，使其更具流动性，在气流的作用下可以获得更细的纤维。

但是提高温度是有限度的，就是要避免聚丙烯在高温下分解。因此，研究人员找到了一种新的方法，并专注于如何加热喷嘴处的聚合物。

想象一下，当聚丙烯从喷嘴挤出时，迎面遇到激光束，喷嘴处的熔融流体会被加热，而装置中的其他聚丙烯不受影响。这些经过激光洗礼的“龙头”，因为温度的升高，粘度的降低，变得稀疏起来。加上高速气流的牵引和阻力，它们可以嗖嗖地完成“瘦身”。

喷嘴处的聚丙烯经过激光处理，获得更细的纤维(图片来源：参考文献4)。

路总是比它难走！得益于科研人员的别出心裁，熔喷技术制备的聚丙烯纤维，在加入激光的情况下，平均直径降低到450 nm，只需要0.7W的激光。

更细的聚丙烯纤维有多重要？

也许你会问，难道仅仅为了减小聚丙烯纤维的直径就要大费周章吗？我们用的面膜还不够轻吗？防护效果不够好？

这样做的意义可能远比我们想象的重要。

更细的聚丙烯纤维不仅提高了对病毒等颗粒的拦截，还减少了聚丙烯的用量。在当前背景下，预计全球每天消耗的口罩数量可达4.6亿个。

全球每天使用口罩数量分布图(来源：参考文献4)

用过的口罩被丢弃，就从健康的守护者变成了垃圾。目前每个口罩需要使用0.7克左右的聚丙烯。通过简单的计算可以知道，全世界每年有115万吨聚丙烯纤维被消耗和丢弃。用更细的聚丙烯纤维做的口罩防护效果更好，每个口罩只需要0.13克聚丙烯纤维。这项技术不仅每年在全球范围内节约92万吨聚丙烯原料，还为全球环境减少了大量不可降解的塑料垃圾。

不仅如此，更薄的聚丙烯纤维口罩还可以帮助减少废弃口罩对其他动物和全球环境的危害。聚丙烯在自然环境中非常稳定，降解时间甚至超过400年。当丢弃的口罩以不正确的方式进入环境时，很可能被不明动物误食，造成严重的健康危害。2020年9月，在巴西的一个海滩上发现的一只死企鹅的胃里发现了一个完整的面具，这很可能是它死亡的主要原因。

而在我们看不到的地方，地球正以一种无言的方式遭受着塑料污染的影响。在美国圣巴巴拉海岸580米深的海底、高纬度的北极和8840米的珠穆朗玛峰都发现了塑料污染物的痕迹。而这些污染可能正在潜移默化地影响着我们自己的人类。

因此，在看到口罩保护的同时，我们不应该

全球每天使用口罩数量分布图（图片来源：参考文献4）

因此，一只纤维更细的高科技口罩的诞生，于你我健康，于万物生灵，于自然环境，都显得如此非凡。而在这一过程中让我们保持举重若轻心态的底气，源于可持续发展的理念，更源于科技的进步。

出品：科普中国

作者：Vivian

监制：中国科普博览

编辑：孙晨宇

参考文献：

1.医用口罩过滤材料的研究进展.纺织学报[J],2020,41,158-169.

2.聚丙烯材料在医用口罩中的应用.材料与应用[J],2020,46,33-36.

3.Fabricationofnanofibermeltblownmembranesandtheirfiltrationproperties[J].JournalofMembraneScience，2013,336-344.

4.Saving80%PolypropyleneinFacemasksbyLaser-AssistedMeltBlownNanofibers[J].NanoLetter,2022,22,7217-7219.