口罩中的电荷

　　口罩中的电荷
　　1.原子由质子、中子和电子构成。中子不带电。荷电量最小的荷电体是质子和电子。一个质子和一个电子所具有的荷电量相同，称为电荷的基本单位，量值为1.6 10-19库伦。电子带负电，质子带正电。在物质中，电子常与质子伴生。当物质失去电子或得到电子时就带有正电荷或负电荷，带有电荷的物体称为荷电体。电性相反的荷电体会互相吸引，电性相同的荷电体会互相排斥。
　　2.口罩用的关键材料是熔喷法生产的聚丙烯荷电无纺布。与其它材料相比，它具有高效率、低阻力、除尘灭菌的功能，其主要原因是由于无纺布纤维中带有电荷，并具有很好的荷电稳定性。那么熔喷聚丙烯无纺布是如何荷电的？为什么还具有很好的荷电稳定性？这涉及到两个物理学问题：电荷的产生和电荷的消失。
　　3. 电荷的产生
　　（1）电荷的产生指的是电子与质子的分离。其方法有很多，例如：电场的作用、摩擦起电、接触起电等。熔喷聚丙烯无纺布荷电技术中常用的电晕放电，就是在强电场的作用下，原本电中性的空气发生电离，带负电的电子向电场的正极移动，带正电的质子（或离子）向负极移动。如将熔喷无纺布放置在这样的电场中，就可形成荷电的无纺布。
　　（2）当两种不同的物质相互摩擦或接触后再分离，也可使物质带电。由于物质的吸电子能力不同，在相互摩擦或接触过程中，电子会从吸电子能力差的物质，跑到吸电子能力强的物质中。吸电子能力强的物质就带负电，吸电子能力差的物质就带正电。聚丙烯无纺布荷电技术中采用的另一种技术 ＂水驻极＂，就是基于这一原理。
　　4.物质中电荷的流动性不同，是造成世界五彩缤纷的一个重要原因。表征物质中电荷流动性大小的物理参数称为电导率。其大小由物质的化学结构所决定。电导率高的物质叫＂导体＂，如金、银、铜、铝、铁等；电导率中等的物质叫＂半导体＂，如单晶硅等；电导率很小的物质称＂绝缘体＂，如电线外面的包层。电荷流动时没有阻力的物质叫＂超导体＂；电荷完全不能流动的物质叫＂驻极体＂。
　　5.处于静止状态的电荷称之为静电电荷（简称静电）。它是电荷聚集在物体表面时的一种现象。在日常生活中，人们常常会碰到静电。如晚上脱衣服时，黑暗中听到的伴有电火花的噼啪声；与朋友见面握手时，手指刚一接触到对方，指尖突然有的针刺般感觉；早上起来梳头时，头发会＂飘＂起来。这些都是人体中的静电在＂作怪＂。
　　6.聚丙烯是一种高绝缘聚合物。其表面的电荷几乎不能流动。在电场的作用或摩擦和干燥条件下带上电荷后，非常容易聚集。这是聚丙烯被选做荷电口罩布的一个重要原因。
　　7.在聚丙烯荷电无纺布的存储和使用过程中，大气中的气体分子和纳米、微纳米级粉尘粒子，会不断地到达聚丙烯纤维表面，表面电荷会被这些分子和粒子带走，使得熔喷聚丙烯驻极体无纺布的表面电荷发生衰减，其过滤性能也随之变差。这是口罩在存储过程中过滤性能慢慢下降的主要原因。良好包装是保持口罩性能的有效手段。
　　8.聚丙烯荷电无纺布用水蒸或浸泡对其性能影响不大，这似乎令人难以理解，但这是个事实。其原因在于聚丙烯的疏水性。聚丙烯与水分子之间的化学性质差异很大。聚丙烯是典型的疏水性材料。水分子很难到达纤维表面，不会与纤维中的电荷发生作用，熔喷聚丙烯荷电无纺布在水性环境下具有很好的电荷存储稳定性。这也是口罩在佩戴过程中，能保持长效功能的原因。这里说的＂表面＂，不是我们肉眼看到的表面，而是分子尺度的物理 ＂表面＂。 多数情况下，尽管口罩沾水了，但水分子并未真正碰到疏水物质分子级的＂表面＂。
　　9.有机溶剂如酒精、异丙醇浸泡和熏蒸为什么又会造成口罩性能的下降呢？这可根据自然界一个基本原理＂相似相容原理＂来解释。不管是浸泡还是熏蒸，溶剂分子都会与聚丙烯分子产生相互作用。按水、甲醛、乙醇、异丙醇的顺序，溶剂的极性逐渐降低，疏水性(亲有机物)逐渐增加。根据相似相容原理，按水、甲醛、乙醇、异丙醇的顺序，溶剂越容易接触到聚丙烯纤维表面，溶剂与聚丙烯的相互作用程度增强，电荷衰减的趋势增加。
　　10.聚丙烯荷电无纺布是驻极体吗？这是一个学术界尚未定论的问题。按驻极体早期的定义，与永磁体相对应，驻极体也称 ＂永电体＂，是指具有永久储存电荷能力的介电（绝缘）材料。但聚丙烯荷电无纺布中的电荷会发生衰减，因此它与＂永电体＂还有一定的差异。
　　11.口罩是依据过滤吸附的原理，利用过滤材料，滤除空气中的有毒、有害物质，将受污染空气转变为清洁空气供人呼吸的一类个体防护用品。
　　12.口罩一般由三层布组成，从外到内分别是保护层、过滤层和舒适层。防护层和舒适层用作骨架和衬里。过滤层材料是＂心脏＂，其学名叫熔喷聚丙烯荷电无纺布（以下简称荷电无纺布）。熔喷指的是制作工艺；聚丙烯指的是化学成分；荷电说明它是带电的；无纺布是产品的名称，说明它是布，但不是通过传统纺织方法制得的。
　　13.口罩的神奇功能主要源于荷电无纺布中所带的电荷，利用的是电荷所产生的静电效应。
　　14.无纺布荷电可极大地提高其对粉尘的过滤性能。荷电无纺布的过滤效率是不荷电时的3倍以上。例如，未荷电时，无纺布对0.3μm粉尘的过滤效率一般只有30%左右，荷电后其过滤效率可以提高到95%以上。
　　15.不荷电的无纺布一般都仅仅依赖机械阻挡作用，对气体中流动粉尘进行拦截，以达到过滤的目的。而荷电的熔喷聚丙烯无纺布中存在着静电场，其中的孔隙就像无数个无源集尘电极。依据自然界的一条基本定理＂库伦定律＂，带同极性电荷的物质之间相斥，带不同极性电荷的物质之间相吸。当气流中的带电微粒尤其是亚微米级粉尘（往往是带电的）通过材料的空隙时，就在电场力的作用下会直接地被吸引而捕获、或受排斥而被阻挡。气流中的电中性粉尘会因感应或极化而荷电，从而也可有效地被捕获或阻挡。
　　16.要滤除如PM2.5（2.5μm）或更小的粒子，不荷电的无纺布需采用处于夯实状态的纤维网，这样将极大地增加流阻，增加能耗。同样要达到95%的过滤效率，不荷电的无纺布需100 Pa以上，而荷电的无纺布的阻力最低可低于25Pa以下，透气性可大大提高。其原因是由于：电场力是长程力，在同样的过滤效率时，滤材空隙的几何尺寸可以比普通纤维或多孔材料的几何尺寸大，使口罩的压差大大降低，可明显减少呼吸阻力，提高透气性，改善舒适度。
　　17.细菌和病毒在大气中一般不能独立存在，通常依附于粉尘或气溶胶上。当它们通过荷电的熔喷聚丙烯荷电无纺布时，由于受到吸附和阻挡，细菌和病毒就不能进入人体。静电场本身具有杀菌、抗菌功能。由无纺布所带电荷产生的静电场会刺激细菌，使它们的蛋白质发生变异，损伤它们的细胞质及细胞膜，破坏它们的表面结构，导致它们死亡。
　　资料来源:陈钢进