“N95濾材之父”蔡秉燚：我們提議拿 4 個口罩編號輪流帶
在我們與 N95 濾材之父蔡秉燚（Peter Tsai）的采訪報道之后，新冠疫情在全球仍有蔓延趨勢，與此同時大量關(guān)于口罩使用的相關(guān)研究也不斷更新。作為該領域的權(quán)威專家，蔡秉燚教授一直對這些信息持續(xù)關(guān)注，并在百忙中將自己的體會與研究觀察整理成文，現(xiàn)授權(quán) DeepTech 發(fā)布，文章經(jīng)過基于原意的刪改。
我二月初寫的英文版原稿，傳到華人地區(qū)被翻成中文，引來華人地區(qū)涌入大量的問題詢問。
新冠病毒暴發(fā)后，中國大陸地區(qū)有人發(fā)現(xiàn)田納西大學（田大）于去年 8 月 27 號對我報道新發(fā)明的網(wǎng)頁，翻成中文，文中有誤，說我是 N95 的發(fā)明人，N95 是一個標準，不是一項發(fā)明，我的發(fā)明是電暈加電，熔噴電暈加電布是 N95 口罩的核心材料，所以在 SARS 期間守護了十億人的健康，田大是這樣寫的。
我二月初寫的英文版原稿在歐美地區(qū)得到披露，同樣引來歐美地區(qū)涌入大量的問題詢問，有的直接傳給我，有的經(jīng)過田大轉(zhuǎn)傳，我的郵箱和 LINE 幾度被擠爆停擺，田大又聘請我回去，要我整合所有的問題，在原稿上加上 FAQ’s 經(jīng)由田大傳上網(wǎng)。涌入的問題并沒有因此而減少，反而增加，多來自媒體人要把訊息播放出去，讓大家對口罩了解及可能滅菌重復使用的方法，美國也有很多組織包括 N95DECON 開始研究如何將 N95 重復使用，紛紛向我詢問問題，同時也提供給我很多的訊息，我在田大的網(wǎng)頁也不斷更新，交流后，大家增加了很多的知識。
兩個禮拜前 NPR (National Public Radio) 采訪我，我說 “我的發(fā)明挺平凡的，沒什么特別”, 記者說 “現(xiàn)在這個時間點是很特別的”。
上個禮拜 Reuters（路透社）視頻采訪我，問我 “什么是電暈加電技術(shù)（corona charging）”。
我說：“電暈的單詞和新冠病毒 “corona” 是相通的。我用電暈加電的技術(shù)去抗爭新冠病毒”。
路透社接著問：“現(xiàn)在，你的發(fā)明讓 N95 可以救助無數(shù)生命，你有什么感受?”
我說：“現(xiàn)在，我太忙了，沒有時間去考慮這個問題。但這對我是一個很好的機會，我可以用我 35 年的從業(yè)經(jīng)驗，為各種社區(qū)提供有用的信息。人生能有機會對人類社會做出貢獻，將會給我余生留下美好的回憶?！?/p>
在此期間，我們也忙于把國家科學實驗室和工業(yè)界做其它產(chǎn)品的熔噴線設備加以修改或工藝加以調(diào)整，加上我的電暈加電硬體，做 N95 口罩材料。忙碌之中我找到空當，寫了這篇文章和大家分享。具體是根據(jù) 2020 年一月我發(fā)表的文獻、繼續(xù)實驗及和名家交流所提供的訊息加以整理成文。
現(xiàn)在大家對口罩的知識大增，人們意識到，戴 N95 口罩，口罩內(nèi)的氧氣比大氣中的氧氣少了約 5%-6%，就是從 21% 降為 15%-16%。有人提議戴 N95 口罩的同時背一個氧氣筒，把氧氣灌入口罩內(nèi)，這可能不太實際。戴呼氣閥是一個解決氧氣不足的辦法，但醫(yī)療級的口罩戴呼氣閥是不正確的，因為醫(yī)療級的口罩要達到雙邊防護的功能，帶呼氣閥的口罩只有戴的人的單邊防護的功能，且病毒如果卡在氣閥上，吸氣時也有可能跟著氣體吸入人體。
去年田大介紹我的新發(fā)明，過濾材料比原先的電暈加電多了一個檔次，達到?jīng)]有加電的 20 倍效果，N95 口罩將來采用這個材料，口罩的舒暢性增加了一倍，口罩內(nèi)的氧氣就會增加很多。
美國很多醫(yī)生及學者對我提供的訊息非常感激，還有人說要提名我拿諾貝爾獎（ The Nobel Prize），我說這三個月來，我瘦了 10 磅，肚子沒有了，我應該拿一個 No Belly Prize（ 沒有肚子獎，諧音 Nobel Prize）。
圖丨蔡秉燚是美國田納西大學材料工程博士，長期致力于用于空氣濾材靜電駐極體和熔噴納米制程技術(shù)的研發(fā)達 35 年，其所研發(fā)的熔噴和駐極技術(shù)轉(zhuǎn)移給全球工業(yè)界使用，生產(chǎn) N95 或同等級別以上口罩達數(shù)百億片，三次榮獲田大最杰出的創(chuàng)新和技術(shù)轉(zhuǎn)移獎。
醫(yī)用和 N95 口罩的區(qū)別
醫(yī)用口罩（Medical Face Masks）和 N95 口罩（N95 respirator）是一個標準，不是一項發(fā)明。
如下表 1. 是醫(yī)用口罩美規(guī)根據(jù) ASTM F2100 的標準，分為三個級別，細菌濾效是根據(jù) ASTM F2101 測試， 用的顆粒是金黃色葡萄球菌，顆粒大小約 3μm，測試流量是 28.3 lpm (1 ft3/min )。次微塵濾效是根據(jù) ASTM F2299 測試，用的是乳膠顆粒，大小是 0.1μm，測試流速是 10 cm/s ?？寡簼B透是根據(jù) ASTM F1862 測試。ASTM 的 F 測試類別是有生命威脅的測試標準。
N95 口罩稱為 N95 Respirator, 不稱為 N95 Mask, 因其經(jīng)過 NIOSH 認證，簡稱 N95。N95是美規(guī)標準 42 CFR Part 84 自吸式（Non-powered）微塵過濾口罩的一種，N 是 Not resistant to oil, 95 是過濾微塵濾效達 95% 以上，測試的顆粒是 NaCl，數(shù)量平均粒徑是 0.075 微米，測試流量是 85lpm。
N95 微塵過濾口罩本是工業(yè)上工人用來防護微塵的，約在 1996 年前后，CDC 要求醫(yī)護人員照顧經(jīng)由空氣傳播的肺結(jié)核病人時配戴 N95 口罩，后來 SARS、MERS、Bird Flu（禽流感）、 Swine Flu（豬流感）等等，WHO 要求醫(yī)護人員配戴 N95 口罩。
上述兩種口罩最大的區(qū)別是前者通常是 3 褶，除了微塵濾效比較低外，口罩邊緣沒有防漏要求，戴起來比較舒暢，有 40%-60% 的空氣量是從口罩邊緣吸入體內(nèi)的，此款口罩有大顆粒飛沫阻擋的功能，另一大功能是阻擋感染者把帶有病毒的飛沫散播出去感染別人。N95 除了微塵過濾效果比醫(yī)用口罩高以外，另一個特點是它是根據(jù)人體臉型輪廓設計，口罩邊緣的密合性很好，正確穿戴時，口罩邊緣泄露的空氣微乎其微。
微塵過濾的機理，加靜電技術(shù)和電力吸附機理
我的研究領域是熔噴制程和加靜電技術(shù)。熔噴是一種制造超細纖維（約 2μm）的無紡布加工過程，同等重量的布，纖維表面積和纖維細度成反比，纖維細表面積就大，表面積大空氣的過濾效果就高。空氣過濾的機理（和液體過濾機理不同），是利用纖維的表面吸附了微塵，而不是靠孔洞比微塵還小，把微塵堵下來，如下圖 1 放大兩千倍掃描電子顯微鏡影像所示。用作口罩的熔噴濾材，孔徑（纖維與纖維間的距離）的大小在 20μm 之間（均流孔徑），微塵一般是次微米大。
圖 1. 放大兩千倍掃描電子顯微鏡影像顯示微塵被吸附在纖維的表面上
上面各款口罩的中間過濾層幾乎百分之百都是用熔噴加靜電布。電暈加電后，過濾效果可以提高 10 個檔次，意思是加靜電后，一層布的過濾效果相當于沒有加靜電 10 層布的濾效。加靜電的方法有很多種，醫(yī)用口罩和 N95 口罩目前的加靜電方法是電暈加電 (Corona Charging)，加電后成為永久的帶電體，即駐極體（Electret）。電暈加電的同時藉著電暈放電高強的電場將電暈電荷擠入纖維一邊的深層內(nèi)部，纖維的另一邊藉電誘導滲入相反的電荷，在同一根纖維形成偶極體。
如此，纖維內(nèi)的正電可吸附負電的微塵，負電吸附正電的微塵，這種力叫庫倫力。中性的微塵會被兩根纖維間的偶極電場極化，微塵便一邊偏正電，另外一邊偏負電，偏正電的一邊被負電吸附，偏負電的一邊被正電吸附。所以駐極體對細菌和病毒及微塵如霧霾等都具有強大的吸附能力，導致很高的過濾效果。
因為電荷是深藏在纖維里面，如果不是受到強烈的外界影響作用，電荷不會在潮濕的空中消失，也不會碰到水或金屬物質(zhì)而消失?？谡峙龅剿姾刹粫?，比如下雨濺到水，電荷不會消失，這和水洗意思有別。水洗依不同的方式，口罩可能會受到機械力而影響材質(zhì)，也會影響電荷。光是純水水洗也洗不掉病毒，CDC 說明洗手要用肥皂徹底洗 20 秒才有效?？谡钟梅试硭?，下文中第 3 項有說明會洗掉電荷。口罩在室溫環(huán)境下，電荷衰退得很慢，如下第 1 項 70℃，24 小時是模擬室溫五年的做法，在這個溫控條件下，電荷衰退很少，所以口罩在室溫下的保質(zhì)期是 5-10 年，廠家自訂。
可能消滅新冠病毒的方法及其對電荷的影響
1. 提高溫度處理后的濾效
歐規(guī) (EN143, EN149) 的口罩認證，測試前要先于 70℃ 溫控 24 小時預處理，用該種條件處理后，N95 口罩加靜電布的材質(zhì)基本上電荷沒有衰退，如下圖 2。
圖 2. 濾材未加靜電，加靜電后，和熱處理后濾效
我根據(jù)上述加熱電荷不衰退的結(jié)果，及文獻上溫度 56℃，30 分鐘 到 75℃， 5 分鐘可以滅 SARS 的訊息，提供 70℃， 30 分鐘，電荷不會衰退，不會破壞 N95 口罩材質(zhì)的理念，作為可能用來殺滅 N95 上新冠病毒的一種方法。
文章一上網(wǎng)，我的郵件爆滿，問我上述說法有沒有根據(jù)，VICE 媒體來電話緊追著問我，我說田大健康中心正在用新冠病毒做實驗，一兩天就會有結(jié)果，該記者每天來問，加上美國前五名頂尖大學醫(yī)學院的同仁每天飛來無數(shù)詢問的郵件，我?guī)缀醑偪?，瀕臨崩潰。
全世界上在等溫度滅新冠病毒的數(shù)據(jù)，一個禮拜后，一個做烘箱設備的業(yè)者打電話給我，提供香港大學 70℃, 30 分鐘滅新冠病毒的初步數(shù)據(jù)。
該單位接受美國 NIH 的部分資助，數(shù)據(jù)比較可靠，但斯坦福大學學者有意見。后來美國 NIH 證實 70℃, 60 分鐘干熱可滅新冠病毒的研究。
幾周前有跟我交流的幾家做烘箱設備的公司，將設備加以修改可以設定溫度在 65℃-75℃ 之間，送到 FDA 申請核準滅新冠病毒, NASA 也送了他們修改的熱風風機到 FDA 申請核準。
2、高溫干熱，濕熱滅菌法
早期我們用高溫蒸汽法，即 Autoclave, 溫度 121℃ 蒸汽，時間 3 分鐘，發(fā)現(xiàn)加靜電布電荷幾乎沒有衰退，所以在有滅菌要求的加靜布，新的口罩已經(jīng)從大氣中附著了一些病菌，就用這個方法來消毒新的醫(yī)用口罩。新冠病毒暴發(fā)后，口罩一時間短缺，希望用傳統(tǒng)的高溫法來滅新冠病毒，口罩得以重復使用，提高溫度可以滅新冠病毒，如上 NIH 所述, 唯再提高溫度，及采用不同的濕度，多久的時間可以滅新冠病毒，變數(shù)太多，還沒有明確的數(shù)據(jù)做定論。我們做了高溫干、濕情況下電荷和對材質(zhì)的影響，結(jié)果如表 2 所示。
繼香港大學提供的實驗數(shù)據(jù)以后不久，哈佛大學學者傳給我法國的團隊實驗數(shù)據(jù)的手稿如下網(wǎng)頁，顯示 56℃， 30 分鐘干熱可部分但無法完全滅新冠病毒，60℃，60 分鐘干熱可以完全滅新冠病毒，但在有 BSA（牛血清白蛋白）的情況下，上述兩種條件無法滅新冠病毒，需 92℃，15 分鐘才可以完全滅新冠病毒。
口罩，尤其是 N95 口罩，是由很多種不同材質(zhì)的材料所組成，用以保持 N95 使用時的口罩形狀。溫度太高，因為各材質(zhì)的熱收縮性不同，造成口罩變形，如下圖經(jīng)水煮和蒸汽處理 3 分鐘后的 N95 形狀的改變，失去了密合性，就失去了 N95 的意義。
圖 3. 經(jīng)水煮或常壓蒸汽處理 3 分鐘后有些醫(yī)用口罩（左）材質(zhì)破壞或 N95 口罩（右兩個）形狀的改變。
有些 N95 口罩表、里層采用低熔點型（約 105℃）的 PET 雙組分材料經(jīng)熱風黏結(jié)而成，該種材料在約 100℃ 時形狀就發(fā)生改變。故 N95 經(jīng)熱處理滅菌后，要先看形狀的改變有沒有影響密合度，才能再度使用。
有人在問用煮飯的電鍋來滅口罩的病毒，衛(wèi)生不衛(wèi)生？衛(wèi)生不衛(wèi)生不是我專長，要問世界衛(wèi)生組織。
3、酒精，肥皂，和漂白水處理后的濾效
美規(guī)（ASHRA52.2）和歐規(guī) (EN776 和 ISO16890) 空氣濾網(wǎng)的標準近兩年來紛紛采用異丙醇消除濾網(wǎng)加靜電的電荷再做濾效測試，業(yè)界普遍知道酒精會消除靜電，我們對醫(yī)用口罩用酒精處理，有洗掉電荷的現(xiàn)象（表 3）。
4、雙氧水處理后的濾效
美國 FDA 不久前核準了第一家設備 Battelle 用氣化的雙氧水處理兩個小時，消毒 N95 口罩，后來又核準了四家設備廠。核準第一家時，CNN 采訪我，要我發(fā)表評論，我說 FDA 已經(jīng)核準的，我就不必發(fā)表評論（其實，田大要我不要置評）。之后，我們試了用 2.5%-3.5% 的雙氧水浸泡 N95，發(fā)現(xiàn)電荷沒有衰退的現(xiàn)象（表 4）。
N95DECON 說明氣態(tài)的 H2O2 凝結(jié)在 N95 的表面殺死新冠病毒, 沒說明是 H2O2 氣體有穿透 N95, 或許只要滅菌表面就行, 因為在過濾層被纖維吸附的病毒縱然沒死，也仍然被纖維吸附著, 不會感染。N95DECON 不建議使用市面的雙氧水滅菌，因為市面上的雙氧水，1. 成分不一，滅菌效果不一，2. 或含有危害健康的成分。
5、臭氧處理和日曬后的濾效
家用車內(nèi) N95 處理環(huán)境（圖 4），經(jīng)臭氧處理和日曬后都沒有顯示電荷衰退的現(xiàn)象 (表 5.)，但經(jīng)臭氧處理的這款口罩耳帶（松緊帶） 有裂痕的現(xiàn)象（圖 5），強度降低很多，文獻有資料報道這一現(xiàn)象。
圖 4. N95 口罩懸掛臭氧處理 25 分鐘。圖 5. 松緊帶經(jīng)臭氧處理后有裂痕。
還沒有文獻和數(shù)據(jù)顯示臭氧可以滅新冠病毒，但 N95DECON 說明臭氧對人體有害，不建議使用。陽光能不能殺滅新冠病毒，目前還沒有數(shù)據(jù)，不過，第 6. 可當參考。
6、使用后存放幾天再重復使用
根據(jù)《新英格蘭醫(yī)學雜志》（NEJM）報道，新冠病毒的最長存活期如下：
氣溶膠化懸浮于空氣中 3 小時
銅金屬表面 4 小時
紙版表面 24 小時
不銹鋼金屬表面兩天
塑膠表面三天
坊間專家有說法：病毒要依附宿主（細胞）才能存活，所以口罩放在通風處兩三天，口罩干了，病毒就會死。N95 口罩除了鼻梁有些是鋁片制的以外，其它材質(zhì)是塑膠材料，按照 NEJM 的資料和上面專家的說法，我們提議拿 4 個口罩編號 1，2，3，4，每天依序號拿一個戴，第五天回頭戴 1 號，病毒已死。N95DECON 說明病毒在表面上可存活 3 天或 3 天以上 (可能是根據(jù) NEJM，所以不建議口罩放一宿，第二天重復使用，至于放幾天后可以滅菌重復使用，仍然持保留態(tài)度）。
上述氣溶膠化懸浮于空氣中新冠病毒可存活 3 小時，但根據(jù)專家解析，是實驗室方法讓病毒懸浮在空氣中，一般認為新冠病毒 縱然是微小顆粒，在短距離內(nèi)就會掉落在地上，所以保持安全社交距離 6 英尺（兩公尺）。
7．紫外線 (UV)和輻射線的影響
UV 和 Gamma 射線是經(jīng)常用來做材料滅菌的，在田納西大學網(wǎng)頁上我寫的文章里，口罩的 PP 材料對 UV 很敏感，因為 PP 主分子鏈的側(cè)基是甲基，有孤獨的電子對，受到高能量時（能量和熱量有別，縱然能量可轉(zhuǎn)換成熱量，但這個能量跟第一項所談的溫度不一樣，照 X 光時，能量很高，對人體有傷害，但人沒感覺有熱量），孤獨電子對的電子會去攻擊主鏈配對的電子，造成分子鏈斷裂，材料變脆。在此過程中，電荷會跟隨消失，所以能不能用來做口罩滅菌，要看 UV 強度和暴露的時間。我的文章發(fā)出去以后，各方要我提出 UV 會破壞 PP 材料的計量和暴露時間，幾近瘋狂，因有 UV 設備廠準備要實際應用于殺滅新冠病毒，隨即有耶魯和哈佛大學的學者傳給我資料，表明在滅菌的 UV 強度和暴露的時間下，口罩的強度明顯下降，舒緩我的壓力，感謝老天！
Gamma 射線能量比紫外線更高，麻省理工學院醫(yī)學院學者傳給我他們新的研究數(shù)據(jù)（正在投稿），顯示 Gamma 射線對口罩強度的嚴重破壞。
美國 NIH 證實，波長 265-285nm UV，暴露 100 分鐘 ，可以滅新冠病毒的試驗，且可通過泄漏測試，但沒有 UV 破壞材料的數(shù)據(jù)。
8．Ethylene Oxide (EO) 環(huán)氧乙烷的影響
EO 經(jīng)常用來做醫(yī)療防護材如隔離衣或手術(shù)服的滅菌方法，但會殘留在材料上，不宜用來做口罩的消毒，吸入殘留的 EO 對人體有害，所以沒有人用 EO 做消毒 N95 的試驗。
9.N95 口罩使用前后的濾效
口罩經(jīng)過處理后的電荷衰退，一般都是用全新的口罩去做試驗，如果口罩使用后因人體呼出的水汽集結(jié)在口罩內(nèi)而失去了濾效，那就沒有必要去研究口罩如何處理可以滅菌。還好，下表 6 顯示口罩使用后晾干，濾效沒有衰退。
10、自制口罩的材料
疫情燒到美國，太突然，速度也太快，一時口罩短缺嚴重，CNN 采訪我自制口罩該用什么材質(zhì)，市面上沒有口罩過濾層的材質(zhì)，從過濾和疏水的理論，我就建議用 PP 或 PET 無紡布當中間層，外面用手帕或圍巾包著，市面上有修護廠的油污擦拭布，接近這個結(jié)構(gòu)，美國市面上空氣過濾網(wǎng) MERV14 級別接近醫(yī)用口罩第一級別的 BFE95，但達不到 N95，買不到 MERV14, MERV13 比 BFE95 差點，也很好用。
參考：
https://utrf.tennessee.edu/ut-researchers-nonwoven-fabrics-protect-the-health-of-more-than-a-billion-people/
https://utrf.tennessee.edu/2019-utrf-innovation-awards-honor-ground-breaking-achievements-in-innovation-and-commercialization/
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2004973
https://t.co/8aPfLMEskF?amp=1
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25806411/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4699414/
https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.03.15.20036673v1.full.pdf
https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-study-validates-decontamination-methods-re-use-n95-respirators
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.11.036855v2
-
精英視角
-
焦點事件
-
焦點事件
-
焦點事件
