测试了32种布料材料;国家标准与技术研究院对C

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测试了32种布料材料;国家标准与技术研究院对C

由多层棉织物制成的面部覆盖物可能比合成材料更好地减缓COVID-19的传播

研究人员已经完成了一项新的研究,研究的内容是各种天然和合成织物如何过滤与引起COVID-19的病毒大小相似的颗粒。在32种被测试的布料材料中,五种最有效阻挡颗粒的材料中有三种是100%棉的,并且有明显的凸起的纤维或绒毛,就像在法兰绒上发现的那样。表现最差的5种材料中有4种是合成材料。试验还表明,织物多层可进一步提高棉织物的有效性。没有一种材料的效率能接近N95掩模。

尽管样本规模相对较小,但研究人员注意到紧密的机织织物通常比松散的机织织物过滤效果更好。含有许多凸起纤维的全棉织物的过滤效果也比没有凸起纤维的棉织物好。突起的纤维通常形成网状结构,类似于医用口罩。

来自美国国家标准与技术研究所(NIST)和mdash的三位研究人员;Christopher Zangmeister, James Radney和Jamie Weaver —与史密森学会博物馆保护研究所的爱德华·维森齐合作,对材料进行评估,确定它们过滤颗粒的能力和透气性。他们的研究结果发表在ACS Nano杂志上。

美国疾病控制和预防中心(CDC)建议人们在难以保持社交距离的公共场合戴盖布面罩,主要是为了防止不知道自己再次被感染的人传播病毒。

导致COVID-19的病毒主要通过人打喷嚏、咳嗽甚至说话时喷出的飞沫传播。然而,一些研究也表明病毒可以通过小得多的气溶胶传播。小于人类头发宽度的百分之一;它们也会被排出体外,在空气中停留的时间比飞沫长得多。

事实证明,如果你用多层布和紧贴在脸上的覆盖物,现成的材料可以提供一些保护免受气溶胶的侵袭。Zangmeister说。但是没有一种口罩比N95口罩更好。

该项目测量了一种常用的方法,即过滤效率,来确定材料捕捉粒子的好坏。Zangmeister和Radney是测量气溶胶的专家,他们建立了一个相对简单的实验,依靠非常敏感的设备来测量和计数气溶胶粒子。

实验使用的是织物样本,而不是完整的口罩。基本上,我们取一个物质样本,然后在样本中流动已知大小的粒子流,Zangmeister说。我们计算空气中微粒在穿过织物前后的数量。这告诉我们这种材料捕捉粒子的效率有多高。

该小组没有使用真正的(和危险的)SARS-CoV-2病毒样本,而是使用了食盐或氯化钠(NaCl),这是cdc的国家职业安全和健康研究所推荐的病毒颗粒替代品,该研究所为N95和其他口罩制定了检测标准。实验中使用的气流速率也来自NIOSH测试建议。

研究人员测试了每一种材料在50到825纳米(nm)范围内的颗粒,以绘制其相对性能图表。

同时,具有纺织背景的材料化学家韦弗和显微镜专家维森齐对每一块织物进行了研究,以确定其纱线的数量、组织和质量,希望建立这些特征与织物过滤颗粒能力之间的关系。

SARS-CoV-2病毒颗粒直径约为110纳米。N95口罩经过严格的测试,以确保在这个尺寸范围内能够阻挡至少95%的颗粒。一种高效微粒空气过滤器,比如你在空气净化器中找到的那种,可以过滤99.97%的约300nm大小的微粒,甚至更小的微粒比例更高。在NIST研究中测试的织物中,性能最好的单层织物能阻挡病毒大小范围内20%的颗粒。

当Zangmeister和Radney在马里兰州Gaithersburg的nist&s校园进行气溶胶实验时,Weaver和Vicenzi能够在家里进行他们的成像工作,他们从3月中旬开始就在家里工作。

我们故意使用廉价的数码显微镜和免费软件在家里做我们部分的研究,韦弗说。这样做的动机之一是开发成像方法,使普通科学家能够以相对较少的启动成本更好地研究织物。

除了面料,研究小组还研究了HEPA滤镜、N95口罩、医用口罩甚至咖啡滤镜等材料,这些材料被建议用于自制面罩,以作比较。该团队还测试了织物的组合(一层棉和一层合成纤维),但效果并没有提高。

通过结合成像和气溶胶测量,研究小组发现,过滤颗粒物最多的一些织物也是最难呼吸的,有些甚至不能满足健康和安全方面的透气性建议。

结果证明,纹理是一个更有用的参数,值得关注,因为我们发现大多数有凸起线的棉织物过滤效果最好。韦弗说。我们的研究结果表明,织物过滤颗粒的能力是基于材料类型、纤维和组织结构以及纱线支数之间复杂的相互作用。

这项研究增加了可追溯到1918年流感大流行的有关织物和过滤的知识体系,那次流感导致全球约2000万至5000万人死亡,并推动了对织物口罩及其预防病毒潜力的首次研究。这也支持了随后的研究,即布过滤器不适用于医疗机构。

但是,尽管对这一课题进行了数十年的研究,该团队发现,由于缺乏标准的测试方法和广泛的测试材料,很难直接比较之前发表的研究结果。他们希望他们的工作将提供一种快速筛选材料的方法。

刚开始做这个项目的时候,我们也不知道答案。Zangmeister说。但底线是,这些面料都不如N95口罩好。然而,布面覆盖物可以帮助减缓冠状病毒的传播。我们希望这项研究将帮助制造商和烘干工确定最佳的织物,并作为进一步研究的基础。

该团队计划在不久的将来对一组新的材料进行新一轮的测试。Weaver和Vicenzi已经升级了他们的成像硬件,并计划在下一轮面料中使用更复杂的纹理分析。

参考文献:纳米级气溶胶布口罩材料的过滤效果,用于减缓SARS病毒的传播作者Christopher D. Zangmeister, James G. Radney, Edward P Vicenzi和Jamie Lynn Weaver, 2020年6月25日,ACS Nano。

DOI: 10.1021 / acsnano.0c05025