李爱元
2020年，新冠疫情肆虐全球，医用防护用品原材料和防疫药品是抗疫的必要物资，但在目前在日常教学中，大多高校化工专业对这方面内容重视不足，相关知识讲授较少，不能满足学生和社会的需求，特别是疫情发生时，学生对防疫用消杀类化工药品比较陌生，已经具备的职业技能不能在关键时刻发挥作用。
本项目整理出常见消毒剂中选取典型化学品，作为无机化学等课程典型工作任务，从知识技能等多方面与课程实现无缝对接；将整理出的医用防护用品聚丙烯、聚碳酸酯等材料的物理化学性质和生产工艺等资料，作为高分子材料等课程相关章节的典型工艺和典型产品进行讲解，提高学生的兴趣，提升课堂效率。同时将化工企业在国家防疫重大时刻的贡献，通过鲜活的例子讲授给学生，激发学生专业认同感和自豪感，提高学生的职业自信。
高分子材料在疫情防控中的作用
高分子材料在疫情防控发面一直发挥着举足轻重的作用，从个人防护必需的口罩到医护人员专用的防护服和防护眼罩，再到起到举足轻重作用的两大医院的建设，随处都可以看到高分子材料的身影。
一、常用的医用高分子材料
PVC：由于该树脂的成本较低、应用范围广阔、及其易加工。医学应用的PVC产品有：血液透析管路、呼吸面罩、吸氧管等。
PE：通常可用于针帽、注射器推杆、输液器流量调节器、输液器和注射器的包装袋等。其中UHDPE具有较高的冲击强度、低摩擦性、耐应力开裂性和较好的吸能特性，使之成为人造臀、膝盖和肩部连接器的理想材料。
PP：医用PP具有较高的透明度、较好阻隔性和耐辐射性，使其在医疗设备和包装业上具有广泛的应用。以PP为主体的Non-PVC材料是目前广泛使用的PVC材料的替代品。
PS：质地硬而脆，有较高的热膨胀系数，因此，限制了它在工程上的应用。近几十年来，发展了改性聚苯乙烯和以苯乙烯为基体的共聚物，在一定程度上克服了聚苯乙烯的缺点。K树脂就是其中的一种。
ABS：在医疗上的应用主要用作外科工具、滚筒夹子、塑料针、工具盒、诊断器件和助听器外壳，特别是一些大型医疗设备的外壳。
PC：典型特性是韧性、强度、刚性和耐热蒸汽消毒，这些特点使得PC优先选择成为血液渗析过滤器、外科工具柄和氧气罐（当在外科心脏手术中，这种仪器可以去除血液中的二氧化碳，增加氧气）；PC在医学上的应用还包括无针注射体系、灌注仪器、血液离心机碗和活塞。
PTFE：摩擦系数是塑料中最低的，具有良好的生物相容性，可以制作成人工血管等直接植入人体的器械。
乳胶：乳胶是由橡胶树上割取或浸出的含橡胶粒子、用以制作医用乳胶制品的白色乳液。加入硫化剂后，可通过浸渍制备医用手套、指套；通过挤出可制备医用乳胶管；通过铸模可制备其他医用制品。
硅橡胶：医用硅橡胶是一种用于医疗用途的硅橡胶，是制备人工器官、医疗器械及其配件、各种医用管材、片材、型材的基本原料。
二、医用防护装备中高分子材料应用原理
对于医护人员来说，仅仅佩戴口罩是远远不足以防止病毒感染的。根据世界卫生组织的建议，除N95/FFP2 级别或以上的口罩外，医护人员还应该穿戴医用外科防护服、医用防护眼镜、医用手套等防护装备(如下图)。从使用的角度讲，这些防护装备必须具备“三拒一抗”的特点：拒水、拒血液、拒酒精和抗静电。
1 口罩中的高分子材料及相关原理
众所周知，飞沫传播是新冠病毒的重要传播途径，佩戴医用口罩可有效阻断因病毒和含病毒的飞沫核吸入口鼻引起的飞沫传播。医用口罩包括医用防护口罩、医用外科口罩和一次性医用口罩。从结构上看，医用口罩一般为多层结构(SMS 或SMMMS)，即纺粘层(Spunbond, S)、熔喷层(Meltblown, M)、纺粘层(S)。在国家标准GB/T 32610中医疗用口罩，至少应该是3层，即我们说的SMS(2层S层和1层M层)，目前国内最高的层数是5层，即SMMMS(2层S层和3层M层)。
这里面的S表示纺粘层(Spunbond)，其纤维直径比较粗，在20微米(μm)左右，2层S纺粘层主要作用是支撑整个无纺布结构，对阻隔并没有太大的作用。口罩里面最重要的是阻隔层或则熔喷层M(Meltblown)，熔喷层的纤维直径比较细，在2微米(μm)左右，所以只有纺粘层直径的十分之一，这个对防止细菌、血液渗透其至关重要的作用。如果S纺粘层过多，口罩就比较硬，而熔喷层M过多，则呼吸比较困难，所以从口罩呼吸的难易程度可以判断口罩的隔绝效果，呼吸越困难，则阻隔效果更好，但是，如果M层变为薄膜，就基本上不能呼吸了，病毒是阻隔了，人也快不行了，所以，这也是一个技术问题。
从化学组成看，无论是纺粘层还是熔喷层，其主要材料都是聚丙烯(Polypropylene, PP)。不同的是，纺粘层是用低熔融指数的聚丙烯通过纺丝制得，而熔喷层则是通过熔融指数较高的聚丙烯通过熔喷工艺制备得到。如下图所示，PP 是以丙烯气体为单体，在齐格勒-纳塔催化剂的作用下通过配位聚合制备得到。其单体丙烯来源广泛，除传统石油冶炼外，甲醇制烯烃工艺、丙烷脱氢等工艺的发展，也让煤(或甲醇)制丙烯项目成为近两年新增产能主体。PP 的合成方法主要有淤浆法聚合、液相本体法聚合、液相气相组合式连续本体聚合和气相本体法聚合等工艺，其中气相本体法聚合工艺占有举足轻重的地位。
从PP 合成过程可以看出，整个聚合过程主要涉及气态单体丙烯和固体催化剂，因此所合成的PP 纯度较高，具有低毒甚至无毒的特点。根据其中甲基的取向，聚丙烯有三种不同构型：等规聚丙烯(isotactic polypropylene, i-PP)，间规聚丙烯(syndiotatic polypropylene, s-PP)和无规聚丙烯(atacticpolypropylene, a-PP)。等规聚丙烯的分子链规整度较高，为降低甲基的相互排斥作用，其分子链在晶体中呈螺旋构象，这一结构特点赋予其良好的抗溶剂和耐水蒸气特性，广泛用作过滤材料。
在口罩的多层结构中，外层纺粘层防水，主要起阻挡外界飞沫进入的作用；内层纺粘层亲水，可以吸收佩戴者呼出气体中的水汽，保证一定的佩戴舒适性。真正起到过滤病毒作用的是中间的熔喷层。广义上讲，熔喷布也算一种无纺布，其产品不是通过纺丝制造，而是将纤维以一定方式直接粘连而成。熔喷技术最早由美国海军在20 世纪50 年代开发，后来经Exxno、Chisso、Tandec、Fiberweb等公司进行技术改进。PP 的熔喷工艺流程如下：首先将PP 原材料和相关助剂按一定比例在螺杆挤出机上熔融塑化挤出，再经模头喷丝板挤出，同时在高温高压和热空气流的作用下高速拉伸。挤出的纤维在冷空气的冷却作用下结晶，得到超细短纤维。喷出的纤维经过滚筒或平板收集起来，形成的纤网自粘合，即可得到熔喷布。这样制备的聚丙烯纤维直径尺寸一般在1～5 μm，远远小于内外两层的纤维直径，而且排布散乱，形成独特的毛细结构，含有大量细小的孔隙，具有相当大的表面积，因而具有良好的过滤性、屏蔽性和吸油性。
除了常规的拦截效应、惯性效应、布朗运动和重力作用等，医用口罩阻隔病毒的一大“法宝”是静电吸附：即对熔喷非织造材料进行驻极化处理，使材料带电，提高材料与颗粒间吸附的能力。驻极体是一种能长期保持极化状态的电介质材料，在其表面和内部均存在大量的偶极电荷或空间电荷，在周围空间存在电场(下图右下侧)。这种电场不仅能通过库伦力直接吸附空气中大量的带电颗粒，而且还可使部分没有带电的颗粒极化而被吸附，这就在不影响过滤阻力的前提下大大提升了过滤效率，因而被广泛应用于口罩生产中。口罩生产中常采用电晕放电的驻极方式(下图左侧图)，所得的布料内部仍具有很好的带电效果。驻极体的存在也解释了为什么不能通过高温蒸煮或喷洒酒精的方式重复利用口罩：一是佩戴过的口罩上已经吸附了大量带电的细菌或病毒颗粒，二是这些常用的消毒方法会破坏驻极体的稳定性。
2医用防护服中的高分子材料及相关原理
医用防护服的生产有多种材料的应用，SMS结构高性能聚丙烯无纺布、闪蒸高密度聚乙烯无纺布、膜-织物复合材料等都在医用防护服中有所应用。 医用防护帽(吸汗型)：由PP单层无纺布加汗圈经裁剪、缝制而成；医用防护帽(防护型)：由SMS复合无纺布加橡筋、粘扣经裁剪、缝制而成。
全封闭式医用防护服的防护原理：阻隔外界环境中的病菌和病毒侵害人体，形象一点说就像是形成了一个“胶囊”，人体暂时在这个胶囊的保护下执行工作任务，但是又要保障人体正常的呼吸和散热，这就要求防护服的材料在能阻隔病毒进入的同时还要能保证干净气体分子的通过。
通常来讲，医用外科防护服的材料一般是聚丙烯和聚乙烯，也有可降解的聚对苯二甲酸乙二醇酯或更疏水的聚四氟乙烯等。为了实现“三拒一抗”的基本要求，一方面需要考虑高分子材料的表面性质，另一方面还需要考虑这些高分子薄膜的透气性。对于非织造布进行“三拒一抗”后整理的主要原理是利用相应的整理液改变纤维的表面张力，降低其表面能。常见的操作技术包括二浸二轧的浸轧法、喷雾整理法、丝网印花涂层法、刮刀涂层法、泡沫整理法等。透气膜无纺布防护服由两层结构组成：里层是长丝无纺布，外层覆有单方向透气的聚乙烯薄膜。无纺布纤维线密度大，纤网由连续长丝组成，其拉伸强度和断裂伸长率比熔喷布大的多，可以有效弥补熔喷布强度低的不足。这种结构的特点还在于人体的汗气可以向外散发，而外面的有害气体和水分却不能侵入。
聚乙烯透气膜的制备过程中需要用到无机碳酸钙颗粒作为“致孔剂”，其基本原理为：拉伸分散有碳酸钙颗粒的聚乙烯过程中，由于碳酸钙颗粒与其周围聚合物的结合力小于拉伸所引起的聚合物变形力，聚合物沿着碳酸钙的边缘分离，而产生了微小的孔洞。孔洞的大小和形态取决于碳酸钙颗粒的大小、形态和拉伸方式、拉伸倍数等。最后，碳酸钙颗粒周围就形成了相互连通的通道，正是这些孔隙和通道赋予了薄膜的透气性。
3护目镜中的高分子材料及相关原理
护目镜又被称为防护眼罩，是安防产品中眼部防护用具的一种。护目镜一般由镜片、镜架及系带等组成。根据不同环境需要，分别具有防液体喷溅、防有害光线和防高速粒子冲击、防尘等功效。有害光线如强的可见光、红外线、紫外线、激光等。
一般情况下通过佩戴医用防护面罩或防护眼镜来进行面部和眼睛的防护。护目镜要具有抗腐蚀性，防止一些腐蚀性较强的药水侵蚀；具有防冲击性，防止近身手术时可能产生的物体对眼部造成伤害；具有防雾性，保证医护人员视野清晰等。
常用的材料有，弹性带：PP：聚丙烯（丙纶），PET：聚酯(涤纶)，PU：聚氨酯（氨纶），橡胶丝；镜片主材热塑性材料镜片：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称亚克力或有机玻璃。热固性材料镜片：聚碳酸酯(PC)；水胶体敷料：羧甲基纤维素钠和明胶、果胶作用：吸收性、自粘、防水性；镜片内层防雾涂层：防雾涂层技术。减小了水滴与镜片的接触角度，将水滴变平，成为一层薄而透明的膜。其中聚碳酸酯材料是一种结构对称的线性聚合物，透光率可达90%，硬而韧，抗冲击性能尤为突出，有良好的综合力学性能。
4医用手套中的高分子材料及相关原理
医护人员要频繁接触各种病人，因此手的防护也显得极其重要。医用手套可分为医用外科手套及检查手套。国家卫健委在2020 年1 月26 日印发的《新型冠状病毒肺炎防控中常见医用防护用品使用范围的指引(试行)》中的医用防护类手套，明确规定规范品为乳胶检查手套。天然乳胶是由天然橡胶经过炼胶机切片、溶胶化、乳化、蒸馏等方式得到。进而使用合适的手套模型通过浸胶烘干、加纤维内套、硫化、烘干成型即可制得乳胶手套。与之不同，丁腈橡胶手套是由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得丁腈橡胶，然后加以相应助剂通过浸胶法制得。常见的医用手套及使用材料有：
乳胶手套：天然乳胶，具有良好弹性和柔软质感，并具有耐磨性、耐穿刺，抗酸碱、油脂、燃油及多种溶剂等优点，有着广泛的抗化性能，防油效果良好
丁腈手套：丁腈橡胶，不易致过敏，是对乳胶蛋白过敏或皮肤敏感的医护人员首选。丁腈橡胶由丁二烯、丙烯腈经乳液聚合法制得，耐油性、耐磨性、耐热性好，还具有良好的耐水性、气密性及粘结性能。
聚氯乙烯(PVC)手套：不含过敏原，发尘量低，离子含量少，不含塑化剂、酯、硅油等成分，具有较强的化学抗性、良好的灵活性和触感，穿戴方便舒适，具有防静电性能，可在无尘环境中使用。
聚乙烯(PE)薄膜手套：高密度聚乙烯(HDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)为原料吹膜压制而成，主要用途是供医护职员临床检查及病房整理时作一般隔离。
5应急医院建设中的高分子材料及相关原理
应急医院建设过程中，高分子材料的身影也随处可见，除医疗机械外，还有防渗膜、吊装箱式板房、各种胶黏剂等，如下图所示。虽然集装箱板房中的主要结构部件是以钢结构和混凝土浇筑为主，但是在屋面板、地板、门窗、围挡及结构夹心等部位，仍能看到大量的高分子材料。例如，常见的集装箱屋面板采用玻璃钢即玻璃纤维和不饱和树脂结合而成的复合材料制成，轻质高强耐高温；房屋地板多采用PVC 材料，耐磨防滑耐腐蚀，有限氧指数高；橡塑合金NBR/PVC 橡胶发泡保温材料和酚醛泡沫板是常见的保温绝热材料，酚醛树脂还可作为集装箱底板的胶黏剂。
为了防止医疗废水的渗漏，建设过程中所用的土工防渗材料是以高密度聚乙烯(HDPE)为防渗基材，与PP 无纺布复合而成。HDPE 结晶度较高，具有较高的抗拉伸强度及良好的抗变形能力。PE 材料本身软而韧、抗冲击、耐腐蚀、耐溶剂，所制得的土工膜防渗性好，抗氧化，使用寿命长，在全球范围内广泛应用。两种材料复合而成的防渗膜具有排水和防渗的双重作用，可以保护周边土壤和水体免受医疗废水和传染性废物的影响。
浙江化工企业抗疫过程中的家国情怀
