新冠疫情下的
材料化学
Material Chemistry
Under epidemic situation
撰写人：第六小组
——口罩、防护服篇
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口罩、防护服
中的材料化学
此次疫情让我们知道了，拥有强大的防 护物资的供应，对于有效应对新型冠状病毒感 染的肺炎疫情，是多么的重要。在此次疫情防 护工作中，十分重要与稀缺的，首当其冲，便 是口罩与防护服。本书内容从口罩、防护服的 原料出发，从材料化学的角度，带大家学习有 关材料的结构、性质与制备等方面的内容。
目录
一、口罩中的材料化学
1.口罩的分类
2.口罩的核心材料
1）口罩的核心材料——熔喷布
2）熔喷布中的“高熔指纤维”（聚丙烯材料）
二、防护服中的材料化学
1.防护服的等级与分类
2.防护服的标准
3.防护服的材料
三、探讨与研究
四、归纳与反思
1.高分子化合物的简介、分类及应用
2.加成聚合反应#
五、习题
专题 *疫情下的青年*
#：本书只讨论与聚丙烯、聚乙烯相关的加成聚合知识点，缩合聚合不在讨论范围内。
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一、口罩中的材料化学
1.口罩的分类
2.口罩的核心材料
棉布口罩 活性炭口罩
一次性医用口罩 N95口罩
N95及以上型口罩
1、棉布口罩
棉布口罩是现代实用比较广泛的一种口罩，它的主要特点就是保暖，也可以通过更换滤片，保持口罩过滤效果。棉布口罩的防尘防菌效果几乎没有。所以在车水马龙的大城市，以及去医院看病时这种口罩的作用是很小的。
2、活性炭口罩
药店、便利店、网店都有这样的口罩卖，根据口罩内活性炭质量的不同售价在20—60元/包不等，一包50个。一般可以起到简单的防毒、除臭、滤菌、阻尘的作用。
3.一次性医用口罩
一般在药店销售，分为两种：无纺布一次性医用口罩，还有一种就是纱布口罩。对气候变化较为敏感的市民，可以选择佩戴一次性医用外科口罩或者12层以上纱布口罩。
5、N95口罩
N95口罩是专业的防尘口罩。普通药店一般不会销售N95、N90口罩，医院也是不会对外出售的，更不会出售给普通病人。市民需要到医药公司才可能买到。
6、N95及以上型口罩
这种口罩可以极其有效的防治pm2.5，如果想防治pm2.5使用N95以上的口罩，更有效。这种口罩的微尘过滤效果，密封效果都较好，但戴久了会引起发闷不舒适，容易引起呼吸系统疾病等。
2月6日，中国石化微博发起了一个英雄帖——“我有熔喷布，谁有口罩机？”一下子激起了各大企业的兴趣。
社 会 时 事
拓展视频：关于疫情是否都
要使用N95呢？
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多家准备跨界生产口罩的企业也面临此难题——缺熔喷布。那，熔喷布，是什么呢？
口罩的核心材料——熔喷布
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医用外科口罩和N95口罩一般采用多层结构，简称为SMS结构：里外两侧为单层纺粘层（S）；中间为熔喷层（M），一般分为单层或者多层。
其中，外层是做了防水处理的无纺布，主要用于隔绝患者喷出的飞沫；中间的熔喷层是经过特殊处理的熔喷无纺布，具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性，是生产口罩的重要原料；里层则是普通无纺布。
虽然口罩的纺粘层（S）和熔喷层（M）都属于无纺布，原材料均为聚丙烯，但制作工艺并不相同。
其中，里外两侧的纺粘层纤维直径较粗，在20微米左右；中间的熔喷层纤维直径只有2微米，由一种叫做高熔指纤维的聚丙烯材料制成。
熔喷布堪称医用外科口罩和N95口罩的“心脏”。
熔喷布中的“高熔指纤维”（聚丙烯材料）
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拓展视频：口罩的核心原料——熔喷布
熔喷布是以聚丙烯为主要原料的过滤材料。其纤维直径可以达到1～5微米，这些具有独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积，从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性，可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料及擦拭布等领域。
熔喷布以聚丙烯为主要原料，采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出聚丙烯熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上，同时自身粘合而成为熔喷法非织造布。
聚丙烯？
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聚丙烯 结构
聚丙烯（Polypropylene，简称PP）是一种半结晶的热塑性塑料。丙烯的加成聚合产物。具有较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。在工业界有广泛的应用，是平常常见的高分子材料之一。
聚丙烯 性质
力学性能
聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能。等规指数较大的聚丙烯具有较高的拉伸强度，但随等规指数的提高，材料的冲击强度有所下降，但下降至某一数值后不再变化。温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。但在室温和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以抗冲击强度较差。聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，俗称百折胶。
热性能
聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的条件下，150℃也不变形。耐寒性不如聚乙烯。
聚丙烯树脂
信息
收集
查阅资料，聚丙烯结构中，甲基的位置是确定的吗？在立体的结构中，会有哪些排布情况呢？对聚丙烯的性质又会有哪些影响？
Reminder
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化学稳定性
聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定，但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀，同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高，所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件，防腐蚀效果良好。
聚丙烯 应用
电性能
它有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电器绝缘制品。它的击穿电压也很高，适合用作电器配件等。抗电压、耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。
耐候性
聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、炭黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。
MPP电力电缆保护管
Mary
平常使用的食用级塑料袋、玩具、编织袋都是聚丙烯材料。
Lily
服装、装饰领域也有应用，供水、供暖系统中也应用十分广泛......
讨论交流，举例日常生活中聚丙烯的应用
二、防护服中的材料化学
1.防护服等级分类
防护服是医务人员抗击传染病疫情中非常重要的个人防护用品,特别是在应对传播途径未知的新发传染病,以及传播风险很高的传染病中。防护服可以阻止各类可能携带病原体的分泌物、喷溅物、颗粒物等接触人体,保护医务人员健康,是战胜新冠肺炎疫情的重要防护用品。
防护服是防御物理、化学和生物等外界因素伤害,保护人体的工作服。医务人员在一些诊疗活动中可能会接触含感染性微生物的患者血液、体液, 需穿着具有防水、防微生物渗透性能的防护服。
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*科学史话
一百多年前，为了防止微生物入侵无菌手术室，保护患者不受医务人员所带细菌的感染，医院开始使用专门的手术防护服
第二次世界大战中，美军开发了一种经氟化碳和苯化合物处理的高密机织物，其防水性能增强，战后民用医院开始采用这些织物作为医用防护服的材料
二十世纪八十年代后，随着人类对人类免疫缺陷病毒、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒等经血液传播病原体认识的不断深入，人们越来越重视医务人员在救治患者过程中可能受到感染的风险，于是各国开始着力开发医用防护服，使得防护服行业得到了发展。
２００３年ＳＡＲＳ暴发过程中，医务人员被感染使得人们意识到做好自身防护的重要性［９］。《医用一次性防护服技术要求》ＧＢ１９０８２—２００３统一了防护服的技术标准，且在２００９年进行了更新，颁发了ＧＢ１９０８２—２００９。
2.防护服标准
*国际视野
我国标准为《医用一次性防护服技术要求》GB 19082—2009,不分类。
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贴士
2003年国家质量监督检验检疫总局首次颁发《医用一次性防护服技术要求》《医用一次性防护服技术要求》部分相关内容
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3.防护服的材料
聚丙烯纺粘布
聚酯纤维与木浆复合的水刺布
高聚物涂层织物
聚乙烯透气膜/非织造布复合布
聚乙烯
聚乙烯是一种常用塑料，由乙烯在一定条件下，通过加成聚合反应（加聚反应）得到的高分子化合物，结构呈线型。
资料卡片
聚乙烯依聚合方法、分子量高低、链结构之不同，分高密度聚乙烯、低密度聚乙烯及线性低密度聚乙烯。
·低密度聚乙烯(LDPE)，因密度较低，材质最软，主要用在塑胶袋、农业用膜等。
·高密度聚乙烯(HDPE)，与LDPE及LLDPE相较，有较高之耐温、耐油性、耐蒸汽渗透性及抗环境应力开裂性，此外电绝缘性和抗冲击性及耐寒性能很好，主要应用于吹塑、注塑等领域。
·线型低密度聚乙烯则是乙烯与少量高级烯烃在催化剂存在下聚合而成之共聚物。表面光泽好，具有低温韧性、高模量、抗弯曲和耐应力开裂性，低温下抗冲击强度较佳等优点。
聚乙烯 性质
聚乙烯有优异的化学稳定性，室温下耐盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、胺类、氢氧化钠、氢氧化钾等各种化学物质腐蚀，但硝酸和硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用。
聚乙烯透气膜简介
聚乙烯透气膜是允许水蒸气扩散透过但阻隔液态水渗漏的一种微孔膜,目前主要用于制造卫生防护用品以及透气性防雨布等制品,在医疗卫生、个人护理、建筑、农副产品包装等领域有广泛应用。
聚乙烯 制备工艺
先将以碳酸钙为主的无机填料填充聚乙烯,制得透气膜专用料;
将专用料经过流延或吹塑方式制成薄膜;
通过对薄膜施加单向或双向拉伸作用,使聚合物基体与填料颗粒表面发生分离并在填料颗粒之间发展出相互连通的微孔道,从而形成微孔透气膜
三、探讨和研究
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（一）2020年对我国来说是一个非常特殊的一年，在这一年我们抗击了新型冠状病毒引起的肺炎疫情，实现了全面达到小康社会的历史任务。在疫情期间口罩成为了十分抢手的货，我们一起通过设计PM2.5的实验对探究口罩的过滤效果。
完整实验设计链接
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（二）聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）是重要的高分子合成材料，在医疗和有机物合成材料领域有很大的作用。那么同学们知道如何搭建聚乙烯和聚丙烯的球棍模型吗？下面我们一起来搭建它们的球棍模型吧。
模型搭建图片及分析
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（三）在新闻联播多次的报道中，多次提到一线的医护人员因长时间佩戴防护口罩导致脸部被勒出很深的凹痕甚至渗血，在这方面是值得研究改进的。你对口罩在人们日常生活中造成的不便,有什么样的创新改进设计呢？请你根据自己本章的所学知识尝试做一做在你心中充满新意和创新的口罩。
（四）在我们的日常生活中高分子起着很重要的作用，请你想一想高分子在日常衣、食、住、行上的体现。比如说不透水的登山服、餐盒、橡胶以及制作飞机的材料，都由哪些高分子组合而成的呢？请你大开脑洞猜一猜。
日常用品中的高分子材料
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四、归纳与反思
1.高分子化合物简介
介、分类、应用
高分子化合物简介
高分子化合物简称高分子，又叫大分子，一般指相对分子质量高达几千到几百万的化合物，绝大多数高分子化合物是许多相对分子质量不同的同系物的混合物，因此高分子化合物的相对分子质量是平均相对分子量。高分子化合物是由千百个原子以共价键相互连接而成的，虽然它们的相对分子质量很大，但都是以简单的结构单元和重复的方式连接的。
高分子化合物分类
高分子化合物应用
高分子的应用极 为广泛，遍及人们的衣、食、住、行，国民经济各部门和尖端技术。 功能高分子的问世， 使合成高分子的应用 发展到更精细、更高级的水平，不仅对促 进工农业生产和尖端技术，而且对探索生命的奥秘、攻克癌症和治疗遗传性疾病都 起着重要推动作用。
据推算21世纪地球上人口将超过100 亿，届时粮食、能源、环境、资源等将成为使人类社会困扰的问题。对此高分子科学将利用高分子调整水分的蒸发和散失以改良土壤、绿化沙漠、扩大耕 地、控制生态体系，促进粮食增产; 制取高转化率的光电池，用以分解水制氢和氧用作燃料电池和化工原料; 开发新型高分子催化剂，利用空气中氮在常温常压下合成氨等。治理环境污染同样可以。但高分子易燃、易老化，不能降解，不被细菌腐蚀，不为土壤吸收。大量使用后丢弃，造成严重公害。需要研制能在自然环境中降解、分解而不造成污染的新型高分子。
这是高分子科学今后发展的重要新课题、新方向之一。
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2.加成聚合反应
聚乙烯是一种常用塑料，是由乙烯在一定条件下，通过加成聚合反应（加聚反应），得到的高分子化合物，结构呈线型。高分子化合物又称为聚合物。
加聚反应(Addition Polymerization):即加成聚合反应，一些含有不饱和键(双键、叁键、共轭双键)的化合物或环状低分子化合物，在催化剂、引发剂或辐射等外加条件作用下，同种单体间相互加成形成新的共价键相连大分子的反应就是加聚反应。 烯类单体经加成而聚合起来的反应。加聚反应无副产物。
拓展
知识
另外，单体间相互反应生成高分子化合物，同时还生成小分子(水、氨等分子)的反应叫缩聚反应。
Reminder
加聚反应主要包括阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合和金属催化剂聚合四种，分别适用于不同的单体。
阳离子聚合
阳离子聚合使用的引发剂通常是较强的路易斯酸(如质子、五氟化磷，等)或者发烟硫酸。在酸性条件下，质子或路易斯酸攻击单体双键或环，发生加成反应，自身稳定下来却又形成了一个新的路易斯酸，又继续攻击下一个单体。经过多次重复反应，生成一条聚合链(下图中单体不同，但反应机制相同)。当聚合链碰到路易斯碱的时候，碳链顶端得到配位键，反应终止。
阴离子聚合
这种加聚反应和阳离子加聚反应极为相似。不同的是，该反应使用的是一种路易斯强碱(如乙醇钠、二异丙基胺钠、氨基钠、格氏试剂、有机锂试剂等)路易斯碱和一个单体反应，产生一个新的路易斯碱;而新的路易斯碱又会继续攻击下一个单体，发生加成反应，以此类推。反应会被能呈酸性的物质(如路易斯酸、水合氢离子等)终止。
阳离子聚合被一个质子引发，形成碳正离子
氨基钾导致苯乙烯聚合，是阴离子聚合
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自由基聚合
自由基聚合与以上两种聚合反应也非常相似。不同的是该反应首先把聚合物和一种能在特殊条件下形成自由基的物质混合在一起(该物质称为自由基引发剂)。混合物通过特殊反应条件(如加热、紫外线等等)，里面的自由基引发剂可以生成自由基。常见的自由基引发剂包括二苯甲酮、过氧化苯甲酰、过硫酸铵等。
自由基攻击一个单体，发生加成反应，形成一个新的自由基。这个新的自由基又能够攻击下一个单体。持续的反应可以形成聚合链。与阳离子、阴离子加聚反应不同，自由基聚合不需要特定的终止反应。两个自由基的单电子就可以形成一个共价键，使反应终止。
这种物质在高温或紫外线下，形成自由基
苯基自由基攻击苯乙烯形成新自由基
金属催化剂加聚反应
这种加聚反应和以上三种加聚反应均有较大不同。反应使用一种特定的过渡金属配位化合物作为引发剂，单体一般只为烯烃类化合物而不包含环状化合物。阳离子催化、阴离子催化和自由基催化发生的地点都在聚合链的"尾巴"处，而金属催化则发生在聚合链的"头部"，也就是金属离子所在的地方。几乎所有此类金属引发剂都是金属离子和环戊二烯形成的化合物。
什么时候使用哪种引发剂，是有单体决定的。某些单体会更加适合其中一种或几种聚合方法。
这种物质和烷基铝混合，可催化加聚反应
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五、习题
1. 写出下列单体聚合得到的聚合物结构简式：
（1)丙烯；
（2)丙烯酸甲酯；
（3)对苯二甲酸和1, 4-丁二醇。
2. 写出下列聚合物的单体和它们的聚合反应方程式：
3. 请简述制作防护服、口罩所用的核心材料以及高分子化合物在其中的应用。你在日常生活中还见过哪些高分子材料制成的物品？可以举例说明。
更多加聚反应习题练习
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疫情下的青年
万众一心
坚/决/打/赢/疫/情/防/控/阻/击/战
2020年的春节是一个特殊的日子，也注定是一个永生难忘的记忆。新冠侵占了我们的生活，但是，有千千万万的白衣卫士挺身而出，将生死置之度外，从死神手里抢回更多的病人。因为这次疫情蔓延速度极快且传播性极强，也给国家和百姓带来了一定的困难。而全国各地无数的白衣卫士和志愿者们都在坚守生命的一线，他们的精神可歌可泣，令人无不赞叹。
疫情暴露出来的是一些人为满足口舌之欲，铤而走险，祸国殃民；而另一些人为了甘愿冒着生命危险，去承担救赎与拯救的责任。新时代的大学生，历经如此国难更应该思考，我们究竟要做出怎样的选择？是庸庸碌碌，汲设营营，苟且于虚无的个人欲望，还是填充自我，完善人格，背负起对个人国家、时代社会的责任？答案不言而喻。
我们应该做些什么呢？作为一位中国公民，首先应当自觉遵守各社区的规定，始终听从党和国家的指挥，坚定信心；作为一名青年，应该利用好有限的时间去做一些有意义而充实自己生活的事情，学一些有益身心健康的知识，杜绝无聊的娱乐方式，去追寻精神享受；作为一名学习化学的学生，应该更深刻的反思你的专业知识有什么作用，你要成为什么样的人?是爱国的、爱岗的、爱人民的、擅长专业知识的、励志对国家有贡献的……
试着静下心来，读一本哲理书，就是在不断地提升自我的认知水平；学习枯燥的时候，听一听有益身心的悦耳音乐，也是一种自我调节。让我们的生活充实起来，不要浪费在毫无意义的事情上，过于沉溺某些所谓的“流行”终究是不可取的，去做一些有意义的事情充实自我才是最好的调节方式。读完这本教材，你的收获又是什么呢？
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万众一心
坚/决/打/赢/疫/情/防/控/阻/击/战
大美逆行，今日是他人为我，明日是否能有我们年轻一代为他人的身影？让我们一同努力，一同期待，一同守望。
致敬
最美逆行者
春暖花开 彼时相见
中国加油 世界加油
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