于宏偉，張雨萱，劉逸波，劉昊雨，栗亞釗

(石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

新型冠狀病毒的傳播途徑主要為接觸傳播、飛沫傳播和氣溶膠傳播[1]，故新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，作為重要個(gè)人防護(hù)用品的一次性口罩(以下簡(jiǎn)稱“口罩”)的需求量急劇增加?？谡钟煞强椩觳牧仙a(chǎn)，具有孔徑小、孔隙率高、過濾效率高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。隨著疫情的發(fā)展，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，特別是秋冬季，人們除了需要保持一定的社交距離，還需要佩戴口罩。

中紅外(MIR)光譜被廣泛應(yīng)用于纖維結(jié)構(gòu)研究[5-6]，而變溫中紅外(TD-MIR)光譜[7-9]和二維中紅外(2D-MIR)光譜[10]則可應(yīng)用于溫度變化對(duì)纖維結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性影響的研究。課題組重點(diǎn)開展了口罩材料的三級(jí)中紅外(MIR)光譜研究，以期為口罩的生產(chǎn)及科學(xué)使用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

口罩，藍(lán)色兩層熔噴布。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q/YASO 002—2020《一次性口罩標(biāo)準(zhǔn)》[11]；授權(quán)商：杭州釋水電子商務(wù)有限公司；制造商：湖北航康醫(yī)療器械有限公司；生產(chǎn)地址：湖北省天門市仙北工業(yè)區(qū)。

1.2 儀器

紅外光譜儀(Spectrum 100 型)；ATR-FTIR 變溫附件(Golden Gate 型)；ATR-FTIR變溫控件(WEST 6100+型)。每次實(shí)驗(yàn)以空氣為背景，對(duì)信號(hào)進(jìn)行 8 次掃描累加；測(cè)溫范圍為303～393 K，變溫步長(zhǎng)為10 K?？谡植牧系?MIR 及 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)采用 Spectrum V 6.3.5 軟件獲得；口罩材料的 2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)采用TD Versin 4.2 軟件獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 口罩材料MIR 光譜

口罩材料主要包括熔噴布、鼻梁條和松緊繩。采用 MIR 光譜分別開展了口罩熔噴布(包括白色內(nèi)側(cè)和藍(lán)色外側(cè))、鼻梁條和松緊繩的結(jié)構(gòu)研究(見圖 1)，發(fā)現(xiàn)口罩熔噴布和鼻梁條化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，而與松緊繩化學(xué)結(jié)構(gòu)差異較大。接下來進(jìn)一步詳細(xì)開展熔噴布(白色內(nèi)側(cè))和松緊繩的 MIR 光譜研究。

圖1 口罩材料 MIR 光譜(303 K)Fig.1 MIR spectrum of mask material (303 K)

首先，開展了口罩熔噴布(白色內(nèi)側(cè))的結(jié)構(gòu)研究。其中，2 917.81 cm-1處的吸收峰屬于熔噴布分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-熔噴布-一維)，2 868.29 cm-1處的吸收峰屬于熔噴布分子 CH3對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH3-熔噴布-一維)，1 455.80 cm-1處的吸收峰屬于熔噴布分子 CH3不對(duì)稱彎曲振動(dòng)模式(δasCH3-熔噴布-一維)，1 376.12 cm-1處的吸收峰屬于熔噴布分子 CH3對(duì)稱彎曲振動(dòng)模式(δsCH3-熔噴布-一維)。此外 ，1 167.13 cm-1(δcrystalline-1-熔噴布-一維)、997.82 cm-1(δcrystalline-2-熔噴布-一維)、899.22 cm-1(δcrystalline-3-熔噴布-一維)、841.30 cm-1(δcrystalline-4-熔噴布-一維)附近存在著一系列與熔噴布分子聚丙烯晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的譜帶(δcrystalline-熔噴布-一維)，最終確定熔噴布(包括白色內(nèi)側(cè)和藍(lán)色外側(cè))和鼻梁條的主要化學(xué)結(jié)構(gòu)為聚丙烯(PP)。

2.2 口罩材料的TD-MIR 光譜

2.2.1口罩熔噴布(白色內(nèi)側(cè))

在 303～393 K開展了口罩熔噴布主要官能團(tuán) TD-MIR 光譜研究(見圖 2)，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表 1。

表1 熔噴布TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)(303～393 K)Tab.1 Data of TD-MIR spectrum of melt-blown nonwovens (303～393 K)

根據(jù)表 1 的數(shù)據(jù)可知，隨著測(cè)定溫度的升高，熔噴布νasCH2-熔噴布-一維、νsCH3-熔噴布-一維對(duì)應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了藍(lán)移，熔噴布δcrystalline-1-熔噴布-一維和δcrystalline-4-熔噴布-一維對(duì)應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了紅移，而其他官能團(tuán)的吸收頻率沒有規(guī)律性改變。隨著測(cè)定溫度的升高，熔噴布主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度沒有顯著改變。

2.2.2口罩松緊繩

在303～393 K開展了松緊繩主要官能團(tuán) TD-MIR 光譜研究(見圖 3)，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表 2。

圖2 熔噴布的TD-MIR 光譜(303～393 K)Fig.2 TD-MIR spectrum of melt-blown nonwovens(303～393 K)

圖3 松緊繩 TD-MIR 光譜(303～393 K)Fig.3 TD-MIR spectrum of elastic rope(303～393 K)

表2 松緊繩 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)(303～393 K)Tab.2 Data of TD-MIR spectra of elastic rope (303～393 K)

2.3 口罩材料

2.3.1口罩熔噴布(白色內(nèi)側(cè))

熔噴布δsCH3-熔噴布吸收峰強(qiáng)度較大，并且有豐富的光譜信息，故進(jìn)一步開展了熔噴布δsCH3-熔噴布的 2D-MIR 光譜研究。

在1 400～1 350 cm-1頻率開展了熔噴布δsCH3-熔噴布的同步 2D-MIR 光譜研究(見圖 4)，在(1 375 cm-1，1 375 cm-1)頻率發(fā)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰，進(jìn)一步證明該處對(duì)應(yīng)的吸收峰對(duì)溫度變化比較敏感。

在1 400～1 350 cm-1頻率開展了熔噴布的異步 2D-MIR 光譜研究(見圖 5)，在(1 374 cm-1，1 378 cm-1)頻率發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表3。

圖4 熔噴布δsCH3-熔噴布-二維同步2D-MIR 光譜(1 400～1 350 cm-1)Fig.4 Synchronous 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D(1 400～1 350 cm-1)

圖5 熔噴布δsCH3-熔噴布-二維異步2D-MIR 光譜(1 400～1 350 cm-1)Fig.5 Asynchronous 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D(1 400～1 350 cm-1)

表3 熔噴布δsCH3-熔噴布-二維2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)及解釋Tab.3 Data and Interpretations of 2D-MIR spectrum of melt-blown nonwovens δsCH3-melt-blown nonwovens-2D

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)和NODA原則[10]，熔噴布δsCH3-熔噴布-二維對(duì)應(yīng)的吸收頻率包括1 378 cm-1(δsCH3-1-熔噴布-二維)和1 374 cm-1(δsCH3-2-熔噴布-二維)。隨著測(cè)定溫度的升高，熔噴布δsCH3-熔噴布-二維吸收峰變化的快慢順序?yàn)? 378 cm-1(δsCH3-1-熔噴布-二維)、1 374 cm-1(δsCH3-2-熔噴布-二維)。在 303～393 K，熔噴布的微觀物理結(jié)構(gòu)(晶體結(jié)構(gòu))會(huì)發(fā)生一定的改變，進(jìn)而影響口罩的防護(hù)性能。

2.3.2口罩松緊繩

圖6 松緊繩同步2D-MIR 光譜(1 750～1 700 cm-1)Fig.6 Synchronous 2D-MIR spectrum of elastic rope νC=O-elastic rope-2D(1 750～1 700 cm-1)

圖7 松緊繩異步2D-MIR 光譜(1 750～1 700 cm-1)Fig.7 Asynchronous 2D-MIR spectrum of elastic rope νC=O-elastic rope-2D(1 750～1 700 cm-1)

在1 750～1 700 cm-1頻率開展了松緊繩的異步 2D-MIR 光譜研究(見圖 7)，在(1 708 cm-1，1 715 cm-1)和(1 715 cm-1，1 730 cm-1)頻率發(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表 4。

表4 松緊繩光譜數(shù)據(jù)及解釋Tab.4 Interpretations of 2D-MIR spectrum of elastic rope

3 結(jié)語

口罩熔噴布(包括白色內(nèi)側(cè)和藍(lán)色外側(cè))和鼻梁條的化學(xué)結(jié)構(gòu)為 PP，而松緊繩的化學(xué)結(jié)構(gòu)為 PET。在 303～393 K，口罩熔噴布(白色內(nèi)側(cè))和松緊繩主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收頻率和強(qiáng)度都有一定的改變；進(jìn)一步研究了其熱變機(jī)制，拓展了三級(jí) MIR 光譜在口罩材料的結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性研究方面的應(yīng)用范圍，具有重要價(jià)值。