姚遥^1，*;，刘易^1，*;，张咪¹，宋潮²，张晓青¹

（1.同济大学 物理科学与工程学院，上海200092；2.同济大学 航空航天与力学学院，上海200092）

*：共同第一完成人

摘  要：目的 在全球范围内的新冠病毒大流行期间，一次性医用外科口罩的大量使用和抛弃对环境造成了巨大的压力，本文探索家庭中口罩再生和重复使用的可能性。方法 医用外科口罩主要由内层亲肤层、驻极体滤芯层和外层防水层组成，其中对病毒和细菌起拦截作用的是驻极体滤芯。驻极体滤芯层通常是由聚丙烯纤维构成的高开孔率的无纺布，无纺布的驻极体性能决定口罩的防护效果。因此，滤芯层驻极体态的恢复是口罩恢复病毒防护功能和循环使用的关键。本文理论分析了驻极体纤维层的病毒拦截机理，利用有限元分析数值仿真了驻极体纤维产生的静电场分布及其对带电粒子的吸附作用，实验研究了口罩驻极体态的重建方法和影响因素。结果 在驻极体纤维静电场中，带电粒子在受到电场力作用后速度显著增大、朝纤维运动，从而被纤维吸附。对于电中性颗粒，由于颗粒是电介质，其在驻极体纤维激发的非均匀静电场中被极化，进而在静电场力的作用下向驻极体纤维表面迁移，最终被吸附在纤维表面，达到过滤效果。结论 在医用口罩的二次充电过程中，样品经过驻极处理后的电荷总量受到驻极电压、驻极时间、驻极距离和驻极温度影响，存在最佳驻极条件。设计制备的小型家用口罩再生装置的原型样机可有效恢复口罩的驻极态，达到口罩多次循环使用的目的。

关键词：医用外科口罩；病毒拦截机理；驻极体态恢复

中图分类号：TQ317            文献标识码：A

0 引言

空气中的污染物通常以气溶胶的形式存在，它可以是空气中存在的污染物质，也可以是由受感染者的喷嚏、咳嗽传播到空气中的病毒^[1]。图1所示为空气中各种的悬浮颗粒的大小分布^[2]。其中直径小于7mm的悬浮颗粒在呼吸的过程中能够到达肺部，对人体健康造成危害，这些颗粒被称为“呼吸性粉尘”^[3]。

图1. 空气中各种悬浮颗粒的大小

Fig.1. Size of various suspended particles in the air.

口罩被认为是保护呼吸系统不受污染空气侵害的有效防护装备^[1,3-13]。新冠肺炎病毒疫情爆发以来，在个人防护中起关键作用的一次性医用外科口罩消耗量巨大。以江苏省的复工所需口罩为例，2018年城镇单位从业人员期末统计全省总人数为1468万，复工一天就需要1468万个口罩^[14]，这还未考虑到口罩因存在有效期而产生的消耗以及居民日常出行对口罩的需求。另一方面，短期内对口罩的大规模扩大生产、消耗及丢弃，也对环境造成了极大压力。工信部提供的数据显示，2019年我国口罩总产能在2000万只左右，而在新冠肺炎疫情发生后，口罩企业扩能增产，2020年2月29日我国口罩日产能达到了11000万只^[15]。因此，通过简单的处理恢复口罩拦截病毒的能力，实现口罩如同衣物一般能够在家庭内部重复使用，这不仅能够缓解口罩生产的压力，而且将大量减少环境中的塑料污染和残留病毒，具有一定的现实意义。

本文讨论医用外科口罩核心驻极体层拦截病毒的原理，探究口罩的再生技术。 

1 实验工作

1.1驻极体滤层的微观结构

研究中采用诚辉医疗一次性医用口罩（非无菌437.5px×237.5px）。医用外科口罩主要分为三层：内层的亲肤层是普通无纺布，用于吸收佩戴者释放的湿气和水分；外层的抑菌层是防水无纺布，用于阻挡外界飞沫和大颗粒；中间层是驻极体滤层，起拦截病毒作用的作用。驻极体滤层通常是经过极化处理的熔喷聚丙烯(PP)无纺布。我们首先利用扫描电镜观察驻极体滤层纤维微观结构，如图2所示。图2(a)-(c)分别为放大100倍、500倍、1000倍观察到的驻极体层结构。由图可以看出，大部分纤维直径分布在1~10μm，排列横纵交错、呈开放型孔洞、开孔率高。

Fig.2. Microstructure of the electret layer:

(a)Zoom in 100 times; (b)Zoom in 500 times; (c)Zoom in 1000 times.

1.2滤层的极化方法

工业上通常采用电晕充电的方式对熔喷布进行极化处理，使其荷电而形成驻极体。电晕极化方法主要是利用非均匀电场引起间歇式空气局部放电，由此产生的离子束在电场的作用下沉积到电介质表面或近表面、被陷阱捕获，同时电场作用使材料内部发生极化反应、得到极化电荷^[16]，从而使介质表面较为均匀地带电。由于大多数驻极体材料中的负电荷稳定性优于正电荷的稳定性，本研究中采用负电晕充电。^[17]

实验中将裁剪成125px×125px大小的口罩内驻极体层熔喷无纺布作为样品，经过清洗、浸泡、晾干操作，使其原有电荷散失，再通过电晕充电法对样品进行二次充电，以探究恢复口罩防护性能的最佳驻极条件。充电装置由均匀排布的电晕针和可加热的接地平板组成，其中电晕针接高压源。在实验过程中，影响充电效果的主要因素有电晕电压、极化温度、电晕针与样品表面间的距离、极化时间等。本研究以此为变量进行单因素实验，探究极化工艺对口罩电荷量的影响，从而获得最佳驻极参数。

1.3 滤层的驻极体性能表征

对于单极性驻极体过滤材料，其电荷总量越高，极化效果越好，对病毒的静电吸附和拦截能力也越强。因此，实验中利用法拉第杯和静电计（Keithley 6514）来测定样品携带的电荷总量。

法拉第杯测量电荷总量的原理如图3所示。法拉第杯由内金属筒、外金属筒和中间绝缘层构成。带电物体进入杯中与内筒接触起电，电荷转移到法拉第杯的敏感电极上，使内筒带电，完成采样。内外筒之间产生电势差，由此产生电压信号传给测量电路，使电路中电容器充电，由电容器电位即可得出电荷量。

Fig.3. Principle of measuring total electric charge with Faraday cup.

2 驻极体滤层的过滤原理

2.1颗粒物的过滤原理

对空气中颗粒物的过滤主要涉及机械阻隔和静电吸附（如图3所示）。机械阻隔机理（图4a所示）包括在带有污染颗粒的气流穿过滤层时过滤纤维对颗粒的机械拦截、颗粒的惯性碰撞、重力沉降，以及颗粒扩散后沉积在纤维表面^[18]。为了增大过滤效率，通常采取增加纤维直径、减小纤维间隙的方法。但是多数细菌、病毒微生物都是微米级和亚微米级的微小颗粒，如SARS冠状病毒只有约100 nm，十分细小密实的纤维间隙才能捕获，^[19]这样会显著增大气流的阻力。对于口罩而言，需要较小的空气阻力，因此，机械阻隔式空气过滤层不适合口罩应用。而静电吸附是拦截病毒和细菌的最重要方法，能够过滤难以通过机械阻隔进行拦截的微小病毒和细菌。根据单纤维过滤理论,传统的非驻极体空气过滤材料的最易透过粒径约为0.3μm，熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料则为0.08μm^[20]。Van Turnhout最早提出利用具有开放型孔洞的高开孔率驻极体（图5a）纤维进行空气过滤（图5b）^[4][5]。目前一次性医用外科口罩普遍采用驻极体无纺布作为核心滤层来有效拦截病毒和细菌，这种材料在过滤阻力≤50 Pa的情况下过滤效率已经可达99.99%，^[21]同时在俘获有致癌作用的亚微米级粒子以及抑制和杀灭常见细菌病毒等方面有独特优势^[22]。

驻极体是能够长期保持极化状态的电介质材料^[23][24] ，带有电荷的纤维能够通过静电吸附捕获带有病毒的气溶胶^[4]。与机械阻隔过滤不同，驻极体是通过静电场力捕获亚微米尺度的微小粒子，因此，驻极体过滤具有过滤效率高、空气阻力小的优点，用驻极体作为滤层的口罩能够有效地拦截病毒和细菌而不降低透气性。驻极体的电荷类型包括“真实”电荷和冻结的取向偶极电荷（如图5a所示）。位于材料表面的真实电荷被称为表面电荷，而位于体内的真实电荷被称为空间电荷^[23][24]。用于空气过滤的无纺布驻极体可以是带有双极性电荷的驻极体（图5b）^[4]，也可以是带单极性电荷的驻极体（图4b）。

图4 空气过滤原理示意图：(a) 机械阻隔机理；(b)驻极体静电拦截机理

Fig.4.  Principle of air filtration: (a)Mechanical interception; (b)Electret electrostatic interception.

图5 (a)驻极体中的电荷^[23][24]；(b)双极性驻极体纤维对带电粒子和电中性粒子的吸附作用^[4]

Fig.5. (a)Electric charge in electret; (b)Adsorption of charged and electrically neutral particles by bipolar electret fibers.

由图4b和5b中可以看出，驻极体纤维不仅吸引带电粒子，而且吸引电中性粒子。对于带电粒子，它们会被强大的库仑力拉向纤维；电中性的粒子则被驻极体纤维周围的强电场极化为宏观偶极子，进而被纤维附近的发散电场所吸引。由于静电场的长程有效性，所以驻极体静电场能够作用距离纤维较远的粒子上，并利用静电力将粒子拉向纤维表面。因此，即使要捕获微小的亚微米粒子（例如新冠病毒），由驻极体纤维制成的过滤器通常是大间隙的开放结构。开放式结构允许带有颗粒的空气轻松通过，因此即使在相当高的流速下，空气阻力也很低。对于驻极体空气过滤器，静电吸附约贡献50%以上过滤效率，而机械阻隔的贡献通常少于30%-50%。因此，驻极体空气过滤器的过滤效率强烈依赖于驻极体纤维的荷电量和稳定性。

Brown分析了驻极体过滤器的过滤效率与纤维的荷电量、颗粒的带电量和介电性能等之间的关系^[3]。对于带电颗粒，无量纲过滤效率N_Qq的表达式为

其中，Q是单位长度纤维的带电量；q颗粒的带电量；空气的粘度系数；真空的介电常数；U₀气体通过过滤层的对流速度；d_p颗粒的直径；d_f纤维的直径。从式（1）可以看出，过滤效率与纤维的荷电量成正比。因此，增大驻极体纤维层的荷电量能够有效提高器件的过滤效率。

       对于电中性颗粒，驻极体纤维通过极化力将颗粒捕获到纤维表面。在这种情况下，无量纲过滤效率N_Qq的表达式为：

其中，是颗粒的相对介电常数。由式（2）可以看出，驻极体纤维对于电中性颗粒的过滤效率强烈依赖于驻极体纤维的带电量，与单位长度纤维的带量的平方呈正比关系。因此，纤维的带电量是驻极体过滤器的重要参数。

2.2带电离子在驻极体纤维静电场中运动的有限元分析

本研究利用有限元软件Comsol Multiphysics TM 的静电模块对驻极体纤维的静电场进行数值计算。为简化模型，先分析单根纤维的静电场分布。设计外部空间域为圆柱形结构，材料为空气，半径R = 2mm，高度H = 4mm，空间域的电势设置为0 V，外边界层设置为无限大元域，用于仿真无限大空间。纤维的面电荷密度为-0.5 mC/m²，纤维半径为r =10 μm，长度L与外部空间域的高度一致。首先分析在没有外部电荷情况下的静电场分布，从中心点选取一根直线研究电场强度和电势的分布，得到的结果如图6所示：

图6. 电场强度分布(a)和电势分布(b)的计算结果，黑色实线为仿真值，红色实线为理论值。

Fig.6. Simulation value(black solid line) and theoretical value(red solid line) of (a)the electric field strength distribution; (b)the potential distribution.

由图可知，仿真计算值与理论值存在较好的对应关系，表明模型设置是正确的。在此基础上，本文将模拟带电粒子在两根纤维形成电场下的运动分布，用于分析带电颗粒在纤维产生的静电场中的运动情况。结合静电场模块和带电粒子追踪模块进行耦合分析，在空间域的一点处释放带正电荷的粒子，粒子的质量约为9.109×10^-31kg，初始速度1m/s，相对介电常数为100。从下图7可看到，粒子在受到电场力作用后朝向纤维运动，受到电场力作用后，粒子速度显著增大，最终被吸附在纤维表面。

图7   带电粒子在单极性驻极体纤维激发的静电场中的运动：

(a)仿真模型的机械结构； (b)带电粒子运动速度的仿真云图

Fig.7. Motion of charged particles in an electrostatic field excited by unipolar electret fibers: (a)Mechanical structure of the simulation model; (b)Simulation cloud diagram of the velocity of charged particle.

3 驻极体滤层荷电量的恢复

对于未经过清洗和消毒工序的大小为125px×125px新滤芯样品，其电荷总量约为70pC。为了考察极化参数对滤芯样品驻极体性能恢复的影响，我们首先将滤芯样品经过清洗、干燥和紫外消毒，清除掉样品中的电荷，然后在不同极化参数下对样品进行电晕极化，测量极化后样品的荷电总量。研究汇总所采用的样品尺寸均为125px×125px。

当电晕针与样品表面的距离为50px、极化时间5min，以及常温条件时，控制电晕电压分别为-4，-5，-6和-7kV，分别对样品进行极化处理。得到的电晕电压与样品荷电量之间的关系如图8所示。由图中可以看出，所有样品经过电晕极化后的荷电量均远远大于新滤芯样品，说明电晕极化能够有效恢复滤芯的驻极体态。在-4~-6kV的电晕电压范围内，样品的荷电量随着电晕电压的升高而增大：当电晕电压为-4kV时，样品的电荷总量为135pC；当电晕电压为-6kV时，样品的电荷总量为175pC， 比-4kV电晕电压极化样品的电荷量增加了约30%。然而，继续增大电晕电压至-7kV，样品发生击穿现象，导致样品的电荷总量下降，约145pC。因此，在其它极化参数不变的条件下，-6kV是最佳的电晕电压。

在电晕针与样品表面的距离为50px，电晕电压为-5kV，极化温度为常温的条件下，我们考察了极化时间对样品电荷总量的影响。实验中所选用的极化时间4-8min，结果如图9所示。由图可以看出，当极化时间由4min增长到5min时，样品的电荷总量从约110pC增加到约140pC；继续增长极化时间至6min，样品的电荷总量基本保持不变；但是，若继续延长极化时间，样品的电荷总量开始下降。当极化时间为8min时，样品的电荷总量降至约95pC。图9所示的结果说明，经过5~6min的电晕极化，样品中的电荷陷阱已经基本被电荷占据，达到饱和状态；更长时间的极化，不仅不能增加样品的电荷总量，而且可能会破坏某些电荷陷阱，导致样品储存电荷的能力下降。在4~5min，驻极时间加长，样品的总电荷量显著增加。

图8   极化电压对储存电荷量的影响（负电晕电压）     

Fig.8. Effect of polarization voltage on the amount of stored charge (negative corona voltage)

图9  极化时间对储存电荷量的影响

Fig.9. Effect of polarization time on the amount of stored charge

我们还考察了电晕电极与样品间的距离与样品电荷总量之间的关系。实验中，设定极化电压为-5kV，极化时间为5min，极化温度为常温，电晕电极与样品间的距离调节范围在2-150px之间。图10所示的实验结果表明，电晕电极与样品之间的距离越小，样品获得的总电荷量越多。其可能的原因是：当电晕电极与样品表面的距离越近，电晕产生的离子不易扩散，使得更多的电荷沉积在样品中。但是我们也发现，电晕电极与样品间的距离也不能过小，当距离缩短到25px时，电晕电极与平板背电极之间产生电弧，导致样品被击穿和破坏。

对于驻极体纤维过滤层而言，不仅电荷的存储总量关系到过滤效率，而且电荷的稳定性影响口罩在存储期间的性能稳定性。口罩中的PP无纺布滤层不仅含有较多的浅电荷陷阱，而且还有深电荷陷阱，深阱对电荷的束缚能相比浅阱更大^[25]。提高极化温度能够让更多的电荷被捕获到深电荷陷阱中，从而有效提高驻极体的热稳定性。聚合物材料的电导率是温度的敏感函数，电导率会随着充电温度的升高而急剧上升，导致体传导电流密度增加，位于不同层深陷阱的俘获截面增大，使得电荷被更多地沉积^[26]。本研究中考察了极化温度与样品电荷总量之间的关系。实验中设定电晕电极与样品表面的距离为50px，电晕电压为-5kV，极化时间为5min，测量了在50至65℃之间的极化温度下获得的样品的电荷总量，结果如图11所示。结果表明，在50~60℃的极化温度范围内，随着极化温度的增高样品的电荷总量也增大。这是因为，较高的极化温度有利于电荷进入深电荷陷阱，使得样品的电荷总量增大。然而，当温度从60℃继续升高至65℃，样品的总电荷量急剧下降。这是因为在较高的极化温度下，浅阱中的电荷获得足够的能量而脱阱，导致驻极体电荷的损失。

图10   电晕电极与样品表面距离对储存电荷量的影响       

Fig.10. Effect of the distance between the discharge electrode and the sample surface on the amount of stored charge

图11   驻极温度对储存电荷量的影响

Fig.11. Effect of charging temperature on the amount of stored charge

4 口罩再生设备和驻极体性能的恢复

        通过上述研究发现，丧失电荷的一次性医用口罩的滤层经过恰当的电晕极化处理后能够恢复其驻极体性能，表明该口罩再生技术方案可行。在此基础上，我们设计制备了家用小型口罩再生设备的原型器件^[27]，并验证了该设备的有效性。

图12所示为口罩再生原型器件的示意图和实物照片，图12(a)中内部结构组成从左至右分别为：1-负离子发生器；2-口罩夹具；3-紫外线灯管；4-风扇。

使用原型器件时，首先将处理后的口罩用口罩夹具固定。在给口罩充电前，通过紫外线灯管对口罩进行杀菌消毒处理。消毒后关闭紫外线灯管，打开负离子发生器（为口罩二次充电提供电荷）。同时打开风扇循环空气，引导负离子流向，促进其更快地附着于口罩上。

图12   口罩再生设备结构示意图(a)和原型器件实物图(b)

Fig.12.  Mask regeneration device: (a)Structure schematic; (b) Physical image of the prototype.

未进行任何处理的全新样品的电荷总量以及在通过清洗、晾干、消毒清除大部分电荷后，对样品进行二次充电的电荷总量如图13所示。由实验结果可以看出，使用原型器件进行再次极化的口罩样品的电荷总量与全新样品的电荷总量相当，说明利用该口罩再生设备能够有效地恢复口罩的驻极体性能。

图13 利用口罩再生设备处理前后的样品电荷总量比较

Fig.13. Total charge of the sample before and after treatment with the mask regeneration device.

5 结论

本文通过有限元仿真对驻极体纤维的静电场进行仿真及数值计算，探究医用外科口罩拦截病毒的原理，结果表明，带电粒子在受到电场力作用后粒子速度显著增大，朝纤维运动，被吸附在纤维表面。

对医用外科口罩二次充电、恢复防护性能的驻极工艺进行研究，实验表明，一定范围内适当提高驻极电压和驻极温度、延长驻极时间、缩短驻极距离，口罩驻极体层的二次充电效果增强。超出最佳驻极条件后，样品易被击穿或散失电荷，选取合适的驻极参数对口罩的二次充电有重要影响。

通过研究口罩的防护原理和二次充电技术，有望实现医用口罩的反复使用，从而可以缓解疫情期间口罩供需不平衡的问题，并改善环境和生态问题，对于应对重大公共卫生安全事件有重要意义。

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Study on Virus Interception Mechanism and Electret State Restoration of Surgical Masks

YAO Yao^1，&#8225;, LIU Yi^1，&#8225;, ZHANG Mi¹ , SONG Chao², ZHANG Xiaoqing^1*

(1.School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Objective During the COVID-19 pandemic, mass use and mass disposal of surgical masks have put tremendous pressure on the environment. The recycling of masks at home is one of the effective ways to reduce environmental pollution. Methods A surgical mask mainly consists of an inner skin-friendly layer, an electret filter layer and an outer waterproof layer, of which the electret filter is the one that intercepts viruses and bacteria. The electret filter layer is usually a high porosity nonwoven fabric made of polypropylene fibers. The electret performance of the nonwoven fabric determines the protective effect of the mask. Therefore, the restoration of the electret state is the key to the recycling of the mask. In this study, we theoretically analyzed the virus interception mechanism of the electret filter layer, used finite element simulation to numerically analyze the electrostatic field distribution generated by electret fibers and their adsorption on charged particles , and experimentally studied the reconstruction method and influencing factors of the electret state. Results In the electrostatic field excited by electret fibers, the charged particles increase their velocity significantly and move toward the fibers after being subjected to the electric field force, and are thus adsorbed by the fibers. For electrically neutral particles, as the particles are dielectrics, they are polarized in the non-uniform electrostatic field, and then migrate to the surface of the electret fibers, and are finally deposited on the surfaces of fibres. Conclusion In the secondary charging process of medical masks, the total charge of the sample is affected by corona voltage, charging time, temperature and the distance between the corona electrode and the sample. A prototype of mask regeneration devices designed and fabricated in this study can effectively restore the electret state of the mask and achieve the goal of recycling.

Keywords: medical surgical mask, virus interception mechanism, recovery of electret state

文章来源：上海驻极新材料科技有限公司