kn95口罩的过滤效率受什么影响（的过滤效率来自于力的作用）
kn95口罩的过滤效率受什么影响（的过滤效率来自于力的作用）聚丙烯经过特殊的工艺后，变成无纺布。我们知道正常的布都是经过纺织加工而成的，其纤维结构经纬分明。而无纺布不需要经过纺织形成网状结构，内部纤维通常是随机的，当然也有定向的纤维。如下图，无纺布网状纤维孔洞的尺寸大概是10微米左右，纤维直径平均约1微米。这种网状的纤维结构，层层堆叠，建立起了过滤大颗粒的第一道防线。聚丙烯颗粒带呼吸阀的N95口罩小胖老师是季节性鼻炎的受害者，因此常备这种N95口罩，每到春秋季节，就需要带上口罩，不然喷嚏连连。也因此，家中也就有了几个N95的口罩。根据上面的描述，N95口罩其实也存在缺点：不防油。所以，在油性环境下，这类口罩就无用了。此外，颗粒更小，N95口罩的过滤效率也就降下来了。尽管如此，在日常的工作生活过程中，特别是在防止流感病毒方面，N95口罩能够起到很好的防护作用。N95口罩之所以具有超强的过滤效率，就在于口罩内部存在着静电，因此对微小颗粒产生吸附力，起到
武汉肺炎疫情的爆发，牵动全球华人的心。最初，疫情迅猛爆发，使得医疗物质变得十分紧缺，武汉各大医院纷纷呼吁请求支援各类医疗物资，其中就包含医用N95口罩。前几日，钟南山院士根据模型预测二月中下旬会迎来峰值。昨日，火神山、雷神山两位院长先后表示，疫情的拐点已经到来。
钟院士的预测
尽管疫情已经出现了拐点，但是仍然不可掉以轻心，钟院士预测到四月左右疫情才平稳，还有挺长的一段时间。那么，医用物资的保障仍然非常重要。本文针对N95口罩超强的过滤效率，分析一下其中的力学原理，顺便介绍一下静电的加工工艺，和这种口罩的保养措施。
1、N95口罩简介——强大的95%的过滤效率N95口罩是一类口罩的统称，这类口罩能够过滤绝大部分的雾霾、灰尘、花粉、流感病毒、汽车尾气中的烟尘等，过滤效率至少要达到95%。N代表not resistant to oil，即不防油，95代表0.3微米颗粒进行测试时的过滤效率水平。
带呼吸阀的N95口罩
小胖老师是季节性鼻炎的受害者，因此常备这种N95口罩，每到春秋季节，就需要带上口罩，不然喷嚏连连。也因此，家中也就有了几个N95的口罩。根据上面的描述，N95口罩其实也存在缺点：不防油。所以，在油性环境下，这类口罩就无用了。此外，颗粒更小，N95口罩的过滤效率也就降下来了。尽管如此，在日常的工作生活过程中，特别是在防止流感病毒方面，N95口罩能够起到很好的防护作用。
2、N95口罩的过滤原理——静电吸附力N95口罩之所以具有超强的过滤效率，就在于口罩内部存在着静电，因此对微小颗粒产生吸附力，起到了过滤的效果。静电之所以能够附加在口罩内部，原因在于口罩的材料。拿出你的口罩，仔细观察一下。具有防护效果的口罩，都不会是棉材料纺织而成。实际上，N95口罩的原材料来自于聚丙烯。聚丙烯是一种非常常见的材料，我们常用的矿泉水瓶，其原料就有聚丙烯。这种聚丙烯材料，较为容易产生静电。
聚丙烯颗粒
聚丙烯经过特殊的工艺后，变成无纺布。我们知道正常的布都是经过纺织加工而成的，其纤维结构经纬分明。而无纺布不需要经过纺织形成网状结构，内部纤维通常是随机的，当然也有定向的纤维。如下图，无纺布网状纤维孔洞的尺寸大概是10微米左右，纤维直径平均约1微米。这种网状的纤维结构，层层堆叠，建立起了过滤大颗粒的第一道防线。
无纺布纤维结构
N95口罩能够防护0.3微米的颗粒，不过根据扫描显微镜观测，无纺布孔隙在10微米左右，远大于0.3微米。这时候，想要阻止小颗粒的进入，就必须引入其他手段——静电吸附力。基本原理如下图，当不带电的颗粒进入电极范围内，颗粒自身由于静电感应而产生与电极相反的电荷，从而在电磁力的作用下，向电极运动，依附于电极之上。静电是N95口罩过滤小颗粒的第二道防线。实际上，静电除尘不仅仅用在N95口罩上，很多的除尘机械，基本原理就是利用静电吸附，达到空气净化的目的。
静电吸附的原理
在带电颗粒的吸附过程中，库仑力起到了决定性作用。库仑力就是电荷之间的相互作用力，其与电荷的大小和距离有关。表达式如下，其中，q为电荷的大小，r为电荷的位置，ε0为真空电容率，其值0.854187817e-12 (F/m)。
库仑力
也就是说，库仑力的大小与电荷的大小和距离的远近有关。对于口罩来说，颗粒的距离并不能控制，所以唯有提高电荷，方才具有足够的库仑力，从而有足够的力量来吸附颗粒。那么究竟多大的库伦力，才能实现95%的过滤效率呢？
气流穿过的过程
实际上，N95口罩的静电过滤并不是吸过来的，而是撞击过来的。N95口罩约1mm厚度，在呼吸的过程中，气流快速穿过口罩，绝大部分空气中的颗粒会直接撞击在口罩的网状纤维上，从而被静电吸附住。颗粒想要穿过层层叠叠的网状结构，还是非常有难度的。想要实现95%的过滤效率，只要保证在呼吸的过程中，颗粒收到的气压力小于库仑力即可（这里颗粒的重力可以忽略）。
计算模型
通常，人体呼吸过程中，口鼻的气压与大气压较为接近。吸气的时候，小于大气压，呼气的时候高于大气压。这个呼吸的气压大概是5cm水柱左右（500Pa），那么直径0.3微米的颗粒受到呼吸产生的气压力约3.5e-11N，直径10微米的颗粒收到的气压力约3.9e-8N，这个力非常的小。假设吸附的时候，口罩内的电荷也是以点电荷的形式存在（库伦模型），纤维直径平均约1微米，那么两个电荷间距为0.65微米，由此可以算出，电荷必须大于1.4e-15C，约8700个电子的电荷。这里面假设带电粒子和口罩纤维上的电荷一样。也就是说，口罩内部的网状纤维处处必须高于8700e的电荷，方才可以产生足够的吸附力，达到95%的过滤效果。
3、N95口罩的制作——静电的附加(驻极处理)虽然，口罩中静电的并不多，但是想要让口罩产生静电，是需要专用设备的。作为普通的家庭，根本不可能自己给口罩“充电”。我们都知道，摩擦可以产生静电，下图中，贪玩的猫滚来滚去后，沾满了小泡沫。
静电困扰的猫
小批量的静电，可以靠此方法生成，工业生产自然不太可能依靠摩擦来产生静电。工业中，可利用高压电源，让口罩的聚丙酯产生极化，就是将纤维的正负电荷分开，并固定住。
极化的纤维
为了能够让聚丙烯网状纤维的电荷分离并固定，外加电压（驻极电压）必须够大。显然，电压越大，电荷的被束缚的越牢靠，由此过滤效率也就越高。这么高的电压，家庭条件无法实现。
极化电压的影响
4、N95口罩的保养——静电的天敌驻极后的电荷，随着时间的推移，束缚力减弱，电荷会游走，极化效果减弱。随着时间的流逝，静电会慢慢消失，这也是为何Ｎ95口罩是有保质期的，一般的保质期是五年左右。
驻极其实就是纤维的两侧存在正负电荷，就像电容器一样。如果存在导体，把两侧电极连起来，那么电荷就通过导体流动起来。所以N95口罩，最怕的就是导体。或者更针对性地说，N95口罩最怕的是水，保养秘诀就是远离水。
怕水的N95口罩
一旦水进入口罩的网状纤维层，这么一点点的电量立马被水传导一空，这时候的口罩最多也就能防10微米的颗粒了，远不能起到其原来的防护作用。常用的消毒剂，常温条件下，也会对驻极有所影响。如下图，常温下，效率会急剧降到60%左右。实际上，只有纯水才是电的不良导体，生活用水浸泡后，电荷经由水导走了。
酒精对过滤效率的影响
N95口罩在防护的过程中，颗粒被吸附，静电被消耗。所以，用了一段时间之后，吸附了大量的颗粒，把静电消耗完毕，不再具有额外的静电来吸附颗粒了。这也是为何，用过的N95口罩不能重复利用的原因。
5、总结本文基于点电荷模型，粗略估算了一下N95口罩想要达到95%的0.3微米的颗粒吸附能力时，口罩网状纤维必须具备的电荷大小。在这个模型下，网状纤维必须处处保持8700e的电荷。为了提高口罩的使用寿命，实际的电荷远大于这个值。
