基于沙棘負離子防霧霾口罩設計＊

王馨珠，孫婉婷，陳曉霞，米寶麗

（遼寧中醫藥大學，遼寧 大連 116600）

1 研究背景

近年來大眾對PM10、PM2.5等名詞已經耳熟能詳，在中國各大城市一年中霧霾天氣已經屢見不鮮，已經影響到了每一個人的生活，嚴重時甚至導致全城市停課，部分企業停工。這是因為PM10、PM2.5可對人體造成傷害，其中PM2.5會直接進入肺泡和血液循環系統，尤其是亞微米粒子會分別沉積于上、下呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支氣管炎等一系列疾病[1-2]。對于患有支氣管哮喘、慢性支氣管炎、阻塞性肺氣腫和慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系統疾病的病人，霧霾天氣可使病情急性發作或急性加重[3]。疫情防控情況下，絕大部分市民佩戴的為一次性醫用口罩，隨著新冠病毒的入侵，口罩成為了全民必備產品。放眼望去，滿大街戴口罩者以一次性醫用防護口罩居多。醫用防護口罩面體分為三層，內層一般為無紡布或普通衛生紗布，中層為單層或多層超細聚丙烯纖維熔噴材料層，外層為無紡布層。這種醫用防護口罩與佩戴者面部具有良好的貼合性，具有疏水透氣性強，對微小帶病毒氣溶膠或有害微塵的過濾效果顯著的特點，但不能有效過濾PM10和PM2.5。市售的能夠有效過濾PM10和PM2.5的口罩價格較貴，不適合廣大群眾在疫情防控常態化下長期佩戴，因此研發一種基于一次性醫用口罩有效過濾PM10和PM2.5的口罩顯得十分必要。

2 設計思路

PM2.5具有粒徑小、比表面積大、吸附性強等特點，且能夠長時間、長距離地懸浮于空氣中，嚴重影響空氣的質量。顆粒物PM的成分很復雜，具體成分組成主要取決于其來源。其來源主要有自然源和人為源兩種，但危害較大的是后者。PM2.5組分分析如圖1所示。

圖1 PM2.5組分分析

在學術界分為一次氣溶膠（Primary Aerosol）和二次氣溶膠（Secondary Aerosol）兩種[4]。目前公認的防護方法有：①過濾法。如空調、加濕器、空氣清新器等過濾可明顯降低PM2.5的濃度，但其缺點是需要定期清洗或更換濾膜。②水吸附法。采藥超聲霧化器、室內水簾、水池、魚缸等吸收空氣中的親水性PM2.5，但是不能有效去除憎水性PM2.5。③植物吸收法。利用植物葉片具有較大的表面積特點，吸收有害氣體和吸附PM2.5。④負離子法。研究證明生態級負離子活性高、遷移距離遠，可以主動出擊捕捉小粒微塵，并使其凝聚后沉淀，能有效除去空氣中小于2.5μm的微塵[5]。當室內空氣中的負離子（負氧離子）的濃度達到每立方厘米20 000個時，空氣中的飄塵量會減少98%以上。在含有高濃度小粒徑負離子（負氧離子）的空氣中，PM2.5中危害最大的直徑在1μm以下的微塵、細菌、病毒等幾乎為零。

中藥資源豐富，藥食兩用中藥更是受到喜愛，其中多種可食用中藥化學成分中含有多種酚酸類物質或黃酮類物質，其提取液可以帶有一定的負電荷，我們推測這些負離子可以捕捉空氣中的微塵，達到降低PM2.5的目的。基于此，設計將中藥提取液吸附于無紡布上，晾干后用于制備一次性口罩的最外層材料，采用一次性醫用口罩制備技術制備出具有防霧霾作用的中藥負離子防霧霾口罩。該口罩設計專業、價格低廉、無污染、適用范圍廣，能夠提高普通醫用口罩防霧霾效果，具有廣闊的應用前景。

3 試驗方法與結果

3.1 實驗材料和儀器

多層超細聚丙烯纖維熔噴非織造布（100 g/m2）、無紡布購于九江昊瑞工貿有限公司；山楂、沙棘、烏梅、馬齒莧、酸棗仁購于大連市成大方圓藥店。

3.2 樣品制備

分別取山楂、沙棘、烏梅、馬齒莧、酸棗仁各10 g，加入100 mL水回流提取1 h，制備成0.1 g/mL溶液，將無紡布完全浸潤其中2 h，取出自然晾干，測試其對PM2.5的透過率。

3.3 過濾率測定

在自制測試箱中進行過濾性能檢測，測試箱為由透明亞克力板制成尺寸為80 cm×40 cm×40 cm的長方體。測試箱中央是一塊帶有圓孔（直徑為30 cm）的抽拉式隔板，隔板左側是實驗箱，右側是進煙箱。測試時，將被測材料圓孔處貼上，進煙箱和實驗箱放置2個完全相同的空氣檢測儀（嘉柏蘭JBL-B600），在進煙箱放入點燃的香煙，并開風扇鼓吹。通過觀察記錄2個空氣檢測儀的PM2.5指數來比較探討各藥材提取物的過濾性能，測試其動態過濾性能時，每隔30 s記錄一次空氣檢測儀的示數。

3.4 實驗結果

如表1所示，對五種藥材制備的無紡布對PM2.5過濾率進行測定，發現無紡布幾乎沒有過濾性能，酸棗仁浸潤的無紡布也沒有過濾效果，而其他四味藥材均有不同程度的過濾性能，但是所有材料過濾性能均隨著時間推移而下降，所有材料中沙棘的抑制效果最佳，因此選擇沙棘水提液作為研究對象，制備了沙棘液無紡布層。同時在沙棘水提液中加入防腐劑山梨酸，制備成隨身攜帶的防霧霾噴劑。

表1 不同藥材提取液無紡布對PM2.5過濾效果（單位：%）

4 沙棘負離子一次性醫用口罩制備及其對PM2.5過濾性測試

按照一次性一用口罩制備方法，外層為沙棘液無紡布層，中間為多層超細聚丙烯纖維熔噴非織造布，內層為活性炭片。

采用動態方法[4]模擬人們真實環境下佩戴口罩的防護效果。將制備好的口罩佩戴至成年女性頭模，邊緣不作密封處理。將實驗裝置置于約10 m2的房間，分別于口罩前端及密閉腔內放置兩臺型號相同的空氣檢測儀（嘉柏蘭JBL-B600），測試濾后空氣顆粒物濃度。點燃香煙作為顆粒物煙霧的發生源，至房間內PM2.5濃度達到300～400μg/m3時熄滅香煙，每30 s記錄1次數據，待室內顆粒物濃度恢復為初始值時，停止測試。每個口罩測試時間1 h。在測試范圍內，普通活性炭醫用口罩對PM2.5的過濾率為40%～70%范圍內，沙棘液無紡布口罩過濾率則提高至60%～90%，而且高抑制率持續時間長。同時在測試0.5 h時，于口罩外層無紡布噴沙棘液后再測試，其過濾率可重新提高至85%范圍內。

5 結論

制備了一種沙棘負離子防霧霾口罩，該口罩價格適宜，防霧霾功能好，且可通過隨身攜帶的防霧霾沙棘液間隔0.5 h噴至口罩表層不斷保持防霧霾效果，達到物美價廉高效的期待，有望投入設計生產中，產生較好的社會效益。