1、N95口罩简介——强大的95%的过滤效率
N95口罩是一类口罩的统称,这类口罩能够过滤绝大部分的雾霾、灰尘、花粉、流感病毒、汽车尾气中的烟尘等,过滤效率至少要达到95%。N代表notresistant to oil,即不防油,95代表0.3微米颗粒进行测试时的过滤效率水平。
小编是季节性鼻炎的受害者,因此常备这种N95口罩,每到春秋季节,就需要带上口罩,不然喷嚏连连。也因此,家中也就有了几个N95的口罩。根据上面的描述,N95口罩其实也存在缺点:不防油。所以,在油性环境下,这类口罩就无用了。此外,颗粒更小,N95口罩的过滤效率也就降下来了。尽管如此,在日常的工作生活过程中,特别是在防止流感病毒方面,N95口罩能够起到很好的防护作用。
2、N95口罩的过滤原理——静电吸附力
N95口罩之所以具有超强的过滤效率,就在于口罩内部存在着静电,因此对微小颗粒产生吸附力,起到了过滤的效果。静电之所以能够附加在口罩内部,原因在于口罩的材料。拿出你的口罩,仔细观察一下。具有防护效果的口罩,都不会是棉材料纺织而成。实际上,N95口罩的原材料来自于聚丙烯。聚丙烯是一种非常常见的材料,我们常用的矿泉水瓶,其原料就有聚丙烯。这种聚丙烯材料,较为容易产生静电。
聚丙烯经过特殊的工艺后,变成无纺布。我们知道正常的布都是经过纺织加工而成的,其纤维结构经纬分明。而无纺布不需要经过纺织形成网状结构,内部纤维通常是随机的,当然也有定向的纤维。如下图,无纺布网状纤维孔洞的尺寸大概是10微米左右,纤维直径平均约1微米。这种网状的纤维结构,层层堆叠,建立起了过滤大颗粒的第一道防线。
N95口罩能够防护0.3微米的颗粒,不过根据扫描显微镜观测,无纺布孔隙在10微米左右,远大于0.3微米。这时候,想要阻止小颗粒的进入,就必须引入其他手段——静电吸附力。基本原理如下图,当不带电的颗粒进入电极范围内,颗粒自身由于静电感应而产生与电极相反的电荷,从而在电磁力的作用下,向电极运动,依附于电极之上。静电是N95口罩过滤小颗粒的第二道防线。实际上,静电除尘不仅仅用在N95口罩上,很多的除尘机械,基本原理就是利用静电吸附,达到空气净化的目的。
在带电颗粒的吸附过程中,库仑力起到了决定性作用。库仑力就是电荷之间的相互作用力,其与电荷的大小和距离有关。表达式如下,其中,q为电荷的大小,r为电荷的位置,ε0为真空电容率,其值0.854187817e-12(F/m)。
也就是说,库仑力的大小与电荷的大小和距离的远近有关。对于口罩来说,颗粒的距离并不能控制,所以唯有提高电荷,方才具有足够的库仑力,从而有足够的力量来吸附颗粒。那么究竟多大的库伦力,才能实现95%的过滤效率呢?
实际上,N95口罩的静电过滤并不是吸过来的,而是撞击过来的。N95口罩约1mm厚度,在呼吸的过程中,气流快速穿过口罩,绝大部分空气中的颗粒会直接撞击在口罩的网状纤维上,从而被静电吸附住。颗粒想要穿过层层叠叠的网状结构,还是非常有难度的。想要实现95%的过滤效率,只要保证在呼吸的过程中,颗粒收到的气压力小于库仑力即可(这里颗粒的重力可以忽略)。
通常,人体呼吸过程中,口鼻的气压与大气压较为接近。吸气的时候,小于大气压,呼气的时候高于大气压。这个呼吸的气压大概是5cm水柱左右(500Pa),那么直径0.3微米的颗粒受到呼吸产生的气压力约3.5e-11N,直径10微米的颗粒收到的气压力约3.9e-8N,这个力非常的小。假设吸附的时候,口罩内的电荷也是以点电荷的形式存在(库伦模型),纤维直径平均约1微米,那么两个电荷间距为0.65微米,由此可以算出,电荷必须大于1.4e-15C,约8700个电子的电荷。这里面假设带电粒子和口罩纤维上的电荷一样。也就是说,口罩内部的网状纤维处处必须高于8700e的电荷,方才可以产生足够的吸附力,达到95%的过滤效果。
3、N95口罩的制作——静电的附加(驻极处理)
虽然,口罩中静电的并不多,但是想要让口罩产生静电,是需要专用设备的。作为普通的家庭,根本不可能自己给口罩“充电”。我们都知道,摩擦可以产生静电,下图中,贪玩的猫滚来滚去后,沾满了小泡沫。
小批量的静电,可以靠此方法生成,工业生产自然不太可能依靠摩擦来产生静电。工业中,可利用高压电源,让口罩的聚丙酯产生极化,就是将纤维的正负电荷分开,并固定住。
为了能够让聚丙烯网状纤维的电荷分离并固定,外加电压(驻极电压)必须够大。显然,电压越大,电荷的被束缚的越牢靠,由此过滤效率也就越高。这么高的电压,家庭条件无法实现。
详情请来电咨询国瑞检测林工: