呼吸性粉塵的危害及防御

呼吸性粉塵的危害及防御

0呼吸性粉塵的概念灰塵性肺疾病是我國最嚴(yán)重、數(shù)量最多的職業(yè)疾病。這是一種無法逆轉(zhuǎn)、無法治愈的疾病?；覊m性肺疾病的直接原因是，吸入“呼吸性塵土”的人會留下脾臟，導(dǎo)致mcclovac細(xì)胞炎和肺纖維化。粉塵在空氣中通常處于分散狀態(tài)，空氣是分散介質(zhì)，粉塵是分散相，職業(yè)安全健康領(lǐng)域和民用日常健康領(lǐng)域?qū)︻w粒物的關(guān)注尺寸是微米級μm，（醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域?qū)︻w粒物的關(guān)注尺寸即有微米級μm也有納米級nm）。粉塵特性和幾何特征是防塵技術(shù)體系中最基本的內(nèi)容，凡涉及過濾材料及防塵口罩的制造和應(yīng)用,均離不開對粉塵特性和幾何特征的描述，離開了對粉塵特性和幾何特征的描述，有關(guān)過濾材料及防塵口罩的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)評價(jià)體系將無法建立。呼吸性粉塵，是指空氣動力學(xué)直徑均在7.07μm以下，空氣動力學(xué)直徑5μm粉塵粒子，采樣效率為50%，簡稱“呼塵”。7μm的塵粒只能到達(dá)人體鼻咽部，2μm以下的塵?？梢缘竭_(dá)人體肺部造成塵肺（圖1）。如果能將“呼吸性粉塵”改性成體量>7～10μm以上不能進(jìn)入肺部的“障礙性粉塵，人們不但可以避免罹患塵肺病，也可以避免空氣污染環(huán)境下PM2.5顆粒物給人體造成的損害。呼吸性粉塵對人體危害極大，對呼吸性粉塵的防御是世界課題，對呼吸性粉塵的技術(shù)防控是重點(diǎn)和難點(diǎn)，呼吸性粉塵涉及職業(yè)接觸人群量大面廣，防治專業(yè)技術(shù)水平要求高。2019年8月27日，國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的國家強(qiáng)制性職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ2.1-2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值笫1部分：化學(xué)有害因素》，將“呼吸性粉塵”列為優(yōu)先防御目標(biāo)。為解決防御呼吸性粉塵這一世界課題，北京健翔嘉業(yè)日用品有限責(zé)任公司，經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了改性障礙性粉塵的高聚能復(fù)合阻塵材料及制備方法與應(yīng)用。障礙性粉塵，是指呼吸性粉塵與LV-2.1高聚能材料接觸時(shí)發(fā)生黏附凝聚，將<7μm的多分散粉塵改性團(tuán)聚成體量>7～10μm以上的單分散粉塵，這種體量>7～10μm以上的單分散粉塵不能到達(dá)人體肺泡區(qū)，定義為“障礙性粉塵”，簡稱“障塵”。技術(shù)簡稱：呼塵改障塵高聚能新材料。1.傳統(tǒng)過濾理論與傳統(tǒng)過濾材料1.1濾料的固體顆粒過濾是指將一種分散相從一種連續(xù)相中分離出來的過程，是分離捕集氣體、液體、顆粒的一種方式和技術(shù)。過濾材料是一種具有較大表面積和孔隙的非紡織材料，它能有效地捕獲固體顆粒，當(dāng)含塵氣流與濾料接觸時(shí)，氣流穿過濾料，固體顆粒被攔截在濾料上。傳統(tǒng)過濾機(jī)理主要有：沖擊作用、擴(kuò)散作用、攔截作用、布朗作用、靜電作用。無論哪種過濾機(jī)理，粉塵的沉積都是由塵粒與纖維表面碰撞而被捕集的，塵粒與纖維表面碰撞機(jī)會越多，越容易被捕集，這與纖維比表面積有關(guān)，比表面積越大，塵粒與纖維表面碰撞概率也越大，過濾效率也越高，引起的呼吸阻力也越大。在常濕/高濕不同氣象條件下，粉塵理化特性有著不同的表現(xiàn)特征，各過濾機(jī)理起的作用也不同，一般情況只有一個(gè)或兩個(gè)過濾機(jī)理起主導(dǎo)作用，例如：在40%相對濕度(RelativeHumidityRH)常濕環(huán)境下，熔噴過濾布可發(fā)揮過濾作用，在70%RH高濕環(huán)境下靜電纖維幾乎沒有捕塵效能。1.2傳統(tǒng)過濾材料傳統(tǒng)過濾材料主要有，聚四氟乙烯膜、熔噴過濾布、靜電纖維。1.2.1金屬砂磨破擊穿其優(yōu)點(diǎn)是：膜薄、過濾效率95%～100%。缺點(diǎn)是：阻力高，接塵加載時(shí)易出現(xiàn)蠕變，耐磨性差，容易被磨琢性較高的鋁塵、矽塵等金屬粉塵或非金屬無機(jī)粉塵磨破擊穿，聚四氟乙烯膜是表面過濾，過濾時(shí)粉塵不能進(jìn)入膜料內(nèi)部，都掛在膜料表面，容塵量少。煤塵容塵性能測試顯示：加塵2h聚四氟乙烯膜表面掛塵47mg/m1.2.2初始過濾阻力其優(yōu)點(diǎn)是：過濾效率90%～99%，纖維力學(xué)性能較好。缺點(diǎn)是：接收油性粉塵時(shí)容易被“糊死”。一些口罩生產(chǎn)企業(yè)宣傳其口罩所謂的“高效低阻”，僅僅是對潔凈熔噴過濾布初始效率和阻力的評價(jià)，實(shí)際接塵中潔凈熔噴過濾布只在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，當(dāng)粉塵顆粒沉積覆蓋在熔噴布上形成顆粒層時(shí)，過濾形式就變成了典型的“塵濾塵”，顆粒層孔隙率為0.6%～0.9%，后續(xù)熔噴布的過濾形式是有顆粒層共同參與的攔截收集形式，口罩使用時(shí)，初始阻力來自于熔噴過濾布本身，容塵后的阻力來自于顆粒層。在氣-固分離過程中，運(yùn)動塵粒所受到的介質(zhì)阻力始終存在，不穩(wěn)定過濾貫穿整個(gè)過程，實(shí)體塵粒通常是非球形的，熔噴過濾布接觸非球形塵粒的阻力比接觸球形塵粒的阻力上升速度快，熔噴過濾布初始效率和阻力“高效低阻”的公式很快失去意義。另一個(gè)不可控的是，熔噴過濾布接受40℃煙塵時(shí)部分水蒸氣冷凝結(jié)露形成露點(diǎn)，露點(diǎn)中含有的三氧化硫酸性物質(zhì)，可形成酸露點(diǎn)，酸露點(diǎn)可使熔噴布過濾效率下降，阻力上升。1.2.3靜電纖維靜電纖維分兩種，一種是駐極靜電棉（圖4），一種是靜電紡絲纖維（圖5）。1.2.3.電棉優(yōu)點(diǎn)“駐”指施加“極”指電荷。簡單地說就是將電荷附著在聚丙烯熔噴布表面。駐極靜電棉優(yōu)點(diǎn)是：干燥空氣中可捕捉帶電荷的粉塵顆粒，容塵量150mg/m另外，駐極靜電棉電荷極阱淺，駐極纖維表面電荷易脫阱流失，靜電引力捕塵效能不受控，油性粉塵或煙氣或有機(jī)氣體可以中和駐極靜電棉電荷，導(dǎo)致靜電引力捕塵功能失效。1.2.3.纖維表面電化靜電紡絲技術(shù)是利用高壓靜電作用使聚合溶液或溶體帶電并發(fā)生形變，在噴頭末端處形成懸垂的錐狀液滴，當(dāng)液滴表面靜電斥力大于表面張力時(shí)，液滴表面就會噴射出高速飛行的射流，并在較短時(shí)間內(nèi)經(jīng)電場力拉伸、溶劑揮發(fā)、聚合物固化形成纖維，靜電紡絲過程中聚合物溶液被負(fù)載上正電壓，致使許多正電荷被注入紡絲液體系中，形成表面電荷及體積電荷。靜電紡絲纖維優(yōu)點(diǎn)是：纖維直徑小，纖維均一性好，孔隙率高，過濾效率高。靜電紡絲纖維缺點(diǎn)是：當(dāng)空氣濕度在70%RH以上時(shí)，粉塵顆粒表面被水氣膜包裹不荷電，靜電纖維表面電荷被水分子淹蓋極性衰減，靜電引力捕塵功能喪失，靜電紡絲纖維力學(xué)性能與普通纖維材料相比仍存在一定的差距，使其服役性和耐久性難以進(jìn)一步提升，如何增強(qiáng)靜電紡絲纖維材料的力學(xué)性能一直是靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)1.2.4靜電纖維捕塵條件的選擇從電子理論看，只有當(dāng)電荷密度達(dá)到1021個(gè)電子/cm靜電力通常比液橋力和范德華力小，除非對荷電很強(qiáng)的粉塵靜電才能發(fā)揮凝聚作用，而<1μm的粉塵很難荷電，因此，即使口罩纖維界面靜電存在，在人體呼出潮氣水分子淹蓋下它對捕塵的強(qiáng)度也是有限的2.呼吸型儲塵技術(shù)呼塵改障塵高聚能新材料是呼吸防護(hù)裝備技術(shù)領(lǐng)域最新一代人工智能防塵新材料，它是將SMG高分子物質(zhì)溶入粘膠纖維經(jīng)特殊工藝紡絲而成的具有表面活性的、可將呼吸性粉塵改性成障礙性粉塵的高聚能材料（圖6），高聚能材料具有螺紋結(jié)構(gòu)（圖7），這種螺紋結(jié)構(gòu)特征有助于空氣流通，可滿足循環(huán)氧量和所需的調(diào)濕效應(yīng)。呼塵改障塵高聚能新材料響應(yīng)人體呼吸號召生成的活性因子具有優(yōu)異的鋪展性，穩(wěn)定的共價(jià)健，材料柔軟光滑，具有絲綢般的品質(zhì)。2.1呼塵改障塵高聚能新材料效能測試：選用有毒性的、表面性質(zhì)活躍的、黏性差的、疏水性的、最具代表性的、粒徑為1.3μm的標(biāo)準(zhǔn)呼吸性矽塵，作為呼塵改障塵高聚能新材料效能測試介質(zhì)。矽塵是我國最嚴(yán)重的職業(yè)有害因素之一，我國接觸矽塵的人數(shù)量大面廣、患矽肺病的人數(shù)居世界首位。研究證實(shí)：新鮮矽塵（粒徑<5μm）在JB6P+細(xì)胞中引起AP-1活化能力比在空氣中放置一年的陳舊矽塵（粒徑<5μm）高4.75倍。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：新鮮矽塵比陳舊矽塵更易引起肺炎，致病性更強(qiáng)。Saffiotti報(bào)道，對雄性Fischer大鼠而言，接觸新鮮矽塵比陳舊矽塵更易導(dǎo)致肺部滲出液的形成，肺部損傷的生化改變2.2國家知識產(chǎn)權(quán)局評價(jià)報(bào)告認(rèn)為，呼塵改障塵高聚能新材料，是將普通過濾材料對粉塵的“單一過濾效率功能”改性成以范德華引力、卡西米爾引力、液橋引力和靜電引力集合為“四位一體的引力團(tuán)聚增大功能”，運(yùn)用“四位一體引力團(tuán)聚增大功能”，將多分散“呼吸性粉塵”改性成體量大于7～10μm以上不能進(jìn)入肺泡區(qū)的單分散“障礙性粉塵”，“障礙性粉塵”因其體量龐大使之不能通過氣管到達(dá)人體肺泡區(qū)，接塵人員可以避免罹患塵肺病或呼吸系統(tǒng)疾病（圖8）。2.5呼塵改障塵高聚能新材料SMG活性因子吸收人體呼出潮氣或吸收濕潤空氣產(chǎn)生濕敏效應(yīng)生成極性泡沫群（圖10),SMG極性泡沫群隨pH變化帶正電荷或負(fù)電荷，帶正電荷的泡沫可對帶負(fù)電荷的細(xì)菌病毒結(jié)構(gòu)實(shí)施破壞使其干枯分離死亡。SMG極性泡沫群對<100mN/m低表面能粉塵和>100mN/m高表面能粉塵均有潤濕刺破表面氣膜使之相互團(tuán)聚變大沉降滯留的作用，效果十分理想。生命科學(xué)中，人體呼出潮氣是不停息的；呼塵改障塵高聚能新材料SMG活性因子吸收人體呼出潮氣產(chǎn)生濕敏效應(yīng)起泡不停息；泡沫群對粉塵顆粒潤濕團(tuán)聚捕捉不停息；直到呼塵改障塵高聚能新材料容塵量達(dá)到容塵限值。2.6呼塵改障塵防護(hù)口罩材料組合模型（圖11）。預(yù)防塵肺病最有效的辦法，是將呼吸性粉塵改成障礙性粉塵，障礙性粉塵不能進(jìn)入肺部。呼塵改障塵高聚能新技術(shù)材料，成功地解決了衛(wèi)生健康管理部門、工業(yè)企業(yè)用人單位、接塵人員和呼吸防護(hù)用品生產(chǎn)企業(yè)一直渴望解決但始終未能獲得成功的技術(shù)難題。2.3呼塵改障塵的過程是粉塵顆粒界面氣-固-液三相變量過程；是物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程，含塵氣流體系中不僅有氣體單相流動，也有氣體-固體兩相流動，還有氣體-固體-液體三相流動。2