医用和N95口罩的性能浅谈及其可能灭COVID-19后重复使用的方法简介

根据2020年一月我发表的文献继续实验及和名家交流所提供的讯息加以整理


Peter Tsai蔡秉燚

美国田纳西大学材料工程博士,长期致力于用于空气滤材静电驻极体和熔喷纳米制程技术的研发达35年,其所研发的熔喷和驻极技术转移給全球工业界使用,生产N95或同等级别以上口罩达数百亿片,三次荣获田大最杰出的创新和技术转移奖,详见下网页。


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/


获得2006年Wheeley奖,与田纳西大学校长和两个副校长合影 

获得2019年Wheeley杰出创新奖

在田纳西大学TANDEC前

无纺布口罩 


    第一章 医用和N95口罩

1.  医用口罩(Medical Face Masks)和N95口罩(N95 respirator)是一个标准,不是一项发明

如下表1.是医用口罩美规根据ASTM F2100的标准,分为三个级别,细菌滤效是根据ASTM F2101测试,用的颗粒是金黄色葡萄球菌,颗粒大小约3μm,测试流量是28.3 lpm (1ft3/min )。次微尘滤效是根据ASTM F2299测试,用的是乳胶颗粒,大小是0.1μm,测试流速是10 cm/s 。抗血液渗透是根据ASTM F1862测试。ASTM的F测试类别是有生命威胁的测试标准。


表1.  医用口罩级别

2. N95口罩 

N95口罩称为N95 Respirator, 不称为N95 Mask, 因其经过NIOSH认证,简称N95。N95是美规标准42 CFR Part 84自吸式(Non-powered)微尘过滤口罩的一种,N是Not resistant to oil, 95 是过滤微尘滤效达 95% 以上,测试的颗粒是 NaCl,数量平均粒径是0.075微米,测试流量是85lpm,此外还有更高档的N99和N100, 另外还有抗油性颗粒的口罩R95,R99,和R100,及P95,P99,和P100,是1995年订定。欧规的标准有FFP1, FFP2, 和FFP3, 滤效分别是80%,94%,和99%, 2001年订定,后来世界各国陆续订定类似标准,颁发实施。


N95微尘过滤口罩本是工业上工人用来防护微尘的,约在1996年前后,CDC要求医护人员照顾经由空气传播的肺结核病人配戴N95口罩,后来SARS、MERS、Bird Flu(禽流感)、 Swine Flu(猪流感)等等,WHO要求医护人员配戴N95口罩。


上述两种口罩最大的区别是前者通常是3褶,除了微尘滤效比较低外,口罩边缘没有防漏要求,戴起来比较舒畅,有40%-60%的空气量是从口罩边缘吸入体内的,此款口罩有大颗粒飞沫阻挡的功能,另一大功能是阻挡感染者把带有病毒的飞沫散播出去感染别人。N95除了微尘过滤效果比医用口罩高以外,另一个特点是它是根据人体脸型轮廓设计,口罩边缘的密合性很好,正确穿戴时,口罩边缘泄露的空气微乎其微。


医用口罩用于医疗用途时, FDA称为Surgical Masks (Face Masks), N95 称为Surgical N95s Respirators (N95s), 两者除了符合上述各规格以外,FDA还要按21 CFR 878.4040 法规管理医疗口罩,口罩要达到生物相容性(Biocompatibility)的标准。

 

第二章 微尘过滤的机理,加静电技术和电力吸附机理

我的研究领域是熔喷制程和加静电技术。熔喷是一种制造超细纤维(约2μm)的无纺布加工过程,同等重量的布,纤维表面积和纤维细度成反比,纤维细表面积就大,表面积大空气的过滤效果就高。空气过滤的机理(和液体过滤机理不同),是利用纤维的表面吸附了微尘,而不是靠孔洞比微尘还小,把微尘堵下来,如下图1放大两千倍扫描电子显微镜影像所示。用作口罩的熔喷滤材,孔径(纤维与纤维间的距离)的大小在20μm之间(均流孔径),微尘一般是次微米大。

 

图1.  放大两千倍扫描电子显微镜影像显示微尘被吸附在纤维的表面上


上面各款口罩的中间过滤层几乎百分之百都是用熔喷加静电布。电晕加电后,过滤效果可以提高10个档次,意思是加静电后,一层布的过滤效果相当于没有加静电10层布的滤效。加静电的方法有很多种,医用口罩和N95口罩目前的加静电方法是电晕加电(Corona Charging), 加电后成为永久的带电体,英文是Electret, 是磁铁 Magnet的相对词,后者是铁质材料带有永久的磁场,前者是介质材料带有永久的电场。电晕加电的同时藉着电晕放电高强的电场将电晕电荷挤入纤维一边的深层内部,纤维的另一边藉电诱导渗入相反的电荷,在同一根纤维形成偶极体。


如此,纤维内的正电可吸附负电的微尘,负电吸附正电的微尘,这种力叫库伦力。中性的微尘会被两根纤维间的偶极电场极化,微尘便一边偏正电,另外一边偏负电,偏正电的一边被负电吸附,偏负电的一边被正电吸附,这种力叫想象力(Image Force,是静电力的一种,电力分为库伦力和想像力,库伦力是正负电荷互相吸引,想象力是正电或负电吸引中性电荷)。所以Electret 对细菌和病毒及微尘如雾霾等都具有强大的吸附能力,导致很高的过滤效果。


另一种加电方法是水利摩擦加电,原理是自然界的闪电,高空纯净的水气和空气剧烈摩擦而形成,雷雨交加时在高空中毕然狂风剧作,这种加电方法比电晕加电的档次要高。


因为电荷是深藏在纤维里面,如果不是受到强列的外界影响作用,电荷不会在潮湿的空中消失,也不会碰到水或金属物质而消失。口罩碰到水电荷不会消失,比如下雨溅到水,电荷不会消失,这和水洗意思有别。水洗依不同的方式,口罩可能会受到机械力而影响材质,也会影响电荷。光是纯水水洗也洗不掉病毒,CDC说明洗手要用肥皂彻底洗20秒才有效。口罩用肥皂水洗,下文中第3项有说明会洗掉电荷。口罩在室温环境下,电荷衰退得很慢,如下第1项70, 24小时是模拟室温五年的做法,在这个温控条件下,电荷衰退很少,所以口罩在室温下的保质期是5-10年,厂家自订。


第三章 可能灭COVID-19的方法及其对电荷的影响

 

1. 提高温度处理后的滤效

欧规(EN143, EN149) 的口罩认证,测试前要先于70℃温控24 小时预处理,用该种条件处理后,N95 口罩加静电布的材质基本上电荷没有衰退,如下图2。

 

图2.  滤材未加静电,加静电后,和热处理后滤效

 

我根据上述加热电荷不衰退的结果,及文献上温度56℃,30分钟 到75℃, 5分钟可以灭SARS的讯息,提供70℃,30分钟,电荷不会衰退,不会破坏N95口罩材质的理念,作为可能用来灭N95 COVID-19的一种方法。


文章一铺网,我的邮件爆满,问我上之说法有没有根据,VICE媒体来电话紧追着问我,我说我们田大健康中心正在用COVID-19做实验,一两天就会有结果,该记者每天来问,加上美国前五名顶尖大学医学院的同仁每天飞来无数询问的邮件,我几乎疯狂,濒临崩溃。

全世界上在等温度灭COVID-19的数据,一个礼拜后,一个做烘箱设备的业者打电话给我,提供香港大学70℃, 30分钟灭COVID-19的初步数据,如下网页。

 

https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.03.15.20036673v1.full.pdf

 

该单位接受美国NIH 的部分资助,数据比较可靠,但斯坦福大学学者有意见。后来美国NIH证实70℃, 60分钟干热可灭COVID-19的研究,如下网页。

 

https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-study-validates-decontamination-methods-re-use-n95-respirators

 

三个礼拜前有跟我交流的几家做烘箱设备的公司,将设备加以修改可以设定温度在65℃-75℃之间,送到FDA 申请核准灭COVID-19, NASA也送了他们修改的热风风机到FDA申请核准。


2. 高温干热,湿热灭菌法

早期我们用高温蒸汽法,即Autoclave, 温度121蒸汽, 时间3分钟,发现加静电布电荷几乎没有衰退,所以在有灭菌要求的加静布,新的口罩已经从大气中附着了一些病菌,就用这个方法来消毒新的医用口罩。新冠状病毒爆发后,口罩一时间短缺,希望用传统的高温法来灭COVID-19,口罩得以重复使用,提高温度可以灭COVID-19,如上NIH所述, 唯再提高温度,及采用不同的湿度,多久的时间可以灭COVID-19,变数太多,还没有明确的数据做定论。我们做了高温干、湿情况下电荷和对材质的影响,结果如表2所示。

 

表2. 常压蒸汽处理(部分业界提供)

蒸汽处理

实验值

理论值

医用口罩初始值

     93.2%


处理5分钟

     91.7%


处理30 分钟

     85.2%


N95 初始值


     99%%

处理5分钟


     98.5%

处理30 分钟


     97.5%


继香港大学提供的实验数据以后不久,哈佛大学学者传給我法国的团队实验数据的手稿如下网页,显示56℃, 30分钟干热可部分但无法完全灭COVID-19,60℃,60分钟干热可以完全灭COVID-19,但在有BSA(牛血清白蛋白)的情况下,上述两种条件无法灭COVID-19,需92℃,15分钟才可以完全灭COVID-19。

 

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.11.036855v2


口罩,尤其是N95口罩,是由很多种不同材质的材料所组成,用以保持N95使用时的口罩形状。温度太高,因为各材质的热收缩性不同,造成口罩变形,如下图经水煮和蒸汽处理3分钟后的N95形状的改变,失去了密合性,就失去了N95的意义。


 图3.  经水煮或常压蒸汽处理3分钟后有些医用口罩(左)材质破坏或N95口罩(右两个)形状的改变。


有些N95口罩表、里层采用低熔点型(约105℃)的PET 双组分材料经热风黏结而成,该种材料在约100℃时形状就发生改变。故N95 经热处理灭菌后,要先看形状的改变有没有影响密合度,才能再度使用。


医用口罩是平面的结构,没有密合度的要求,热处理后稍稍变形,问题不大。一般医用口罩,外层是疏水性的纺粘PP,用于挡大颗粒的液体如飞沫,内层是吸水性类似棉质的黏胶纤维或其混合物经水刺而成,但也有用木浆经湿法成型如同纸类,遇水就会散开,失去了强度,所以不适合用沸水或蒸汽处理。电锅不加水是属干热高温法,但电锅有大有小,造成的空气温度可能不一样,我们的数据显示在120℃下30分钟,N95的滤效从99% 降到97.5%可接受的范围,PP的结晶温度是137℃, 熔点是160℃,摆放口罩时要放在条子型架子上面(最好不是金属材料), 不能直接放到金属锅上,道理不是金属会导掉静电荷,而是金属的温度比空气的温度高很多,如果口罩糊了就是温度超过了PP的结晶温度,或是温度到了PP的熔点导致材料的熔化,操作不得不注意。


有人在问用煮饭的电锅来灭口罩的病毒,卫生不卫生?卫生不卫生不是我专长,要问世界卫生组织。


3. 酒精,肥皂,和漂白水处理后的滤效

     美规(ASHRA52.2)和欧规 (EN776 和ISO16890)空气滤网的标准近两年来纷纷采用异丙醇消除滤网加静电的电荷再做滤效测试,业界普遍知道酒精会消除静电,我们对医用口罩用酒精处理,有洗掉电荷的现象(表3)。


表3. 医用口罩酒精和肥皂水处理


酒精和肥皂水处理

滤效(5%)

医用口罩初始值

93.2%

医用酒精浸泡

67.0%

酒精熏蒸(按ISO)

47.4%

肥皂水手洗两分钟

54.0%

 

NIH 证实70%乙醇可灭COVID-9的研究结果如下网页。

 

https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-study-validates-decontamination-methods-re-use-n95-respirators

 

根据我们提供酒精和肥皂水水洗会消除静电的讯息,美国N95DECON团队也说明不能用酒精和肥皂水水洗消毒N95口罩,如下网页,文章也说明不能用含有漂白剂的液体浸泡消毒N95口罩,电荷也会衰退。


https://www.n95decon.org/


4. 双氧水处理后的滤效

美国FDA两三个礼拜前核准了第一家设备Battelle用气化的H2O2理两个小时消毒N95 口罩COVID-19,后来又核准了四家设备厂。核准第一家时,CNN 采访我,要我发表评论,我说FDA已经核准的,我就不必发表评论(其实,田大要我不要置评)。之后,我们试了用2.5%-3.5%的双氧水浸泡N95,发现电荷没有衰退的现象(表4)。


表4. N95口罩双氧水处理后的滤效(业界提供)

N95DECON说明气态的H2O2凝结在N95的表面杀死COVID-19, 没说明是H2O2气体有穿透N95, 或许只要灭菌表面就行, 因为在过滤层被纤维吸附的病毒纵然没死,也仍然被纤维吸附着, 不会感染。N95DECON 不建议使用市面的双氧水灭菌,因为市面上的双氧水,1. 成分不一,灭菌效果不一,2. 或含有危害健康的成分。


5.臭氧(O3)处理和日晒后的滤效

休旅车内N95处理环境(图4),经臭氧处理和日晒后都没有显示电荷衰退的现象(表5.),但经臭氧处理的这款口罩耳带(松紧带) 有裂痕的现象(图5),强度降低很多,文献有资料报导这一现象。



                   

图4. N95 口罩悬挂臭氧处理25 分钟      

图5. 松紧带经臭氧处理后有裂痕。


表5.N95口罩臭氧处理和日晒后的滤效(部份业界提供)

 

还没有文献和数据显示臭氧可以灭COVID-19, 但N95DECON说明臭氧对人体有害,不建议使用。


坊间有说这个病毒怕阳光, 多怕?没有数据!众所周知来到地球的日光含有大量的紫外线,但N95DECON 一个礼拜前的数据说:文献显示来到地球的阳光没有紫外线,所以阳光不能灭COVID-19, 昨天公布的网页,这一席话已经不复存在,所以阳光能不能灭COVID-19,目前还没有数据,不过,下第6.可当参考。


6. 使用后存放几天再重复使用

根据新英格兰医学杂志(NEJM. March 17,2020) 报导,实验温度是70-73F, 相对湿度是40%。

 

https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2004973

 

COVID-19的最长存活期如下:

1.  气溶胶化悬浮于空气中3小时

2.  铜金属表面4小时

3.  纸版表面24小时

4.  不锈钢金属表面两天

5.  塑胶表面三天

 

坊间专家有说法:病毒要依附宿主(细胞)才能存活,所以口罩放在通风处两三天,口罩干了,病毒就会死。N95口罩除了鼻梁有些是铝片制的以外,其它材质是塑胶材料,按照NEJM的资料和上面专家的说法,我们提议拿4个口罩编号1,2,3,4,每天依序号拿一个戴,第五天回头戴1号,病毒已死。N95DECON 说明病毒在表面上可存活3天或3天以上(可能是根据NEJM,  所以不建议口罩放一宿,第二天重复使用, 至于放几天后可以灭菌重复使用,仍然持保留态度。


上述气溶胶化悬浮于空气中COVID-19可存活3小时,但根据专家解析,是实验室方法让病毒悬浮在空气中,一般认为COVID-19, 纵然是微小颗粒,在短距离内就会掉落在地上,所以保持安全社交距离6英尺(两公尺)。

 

7.紫外线(UV)和辐射线的影响

UV和Gamma射线是经常用来做材料灭菌的,在田纳西大学网页上我写的文章里,口罩的PP材料对UV很敏感,因为PP主分子链的侧基是甲基,有孤独的电子对,受到高能量时(能量和热量有别,纵然能量可转换成热量,但这个能量跟第一项所谈的温度不一样,照X光时,能量很高,对人体有伤害,但人没感觉有热量),孤独电子对的电子会去攻击主链配对的电子,造成分子链断裂,材料变脆。在此过程中,电荷会跟随消失,所以能不能用来做口罩灭菌,要看UV强度和暴露的时间。我的文章铺出去以后,各方要我提出UV会破坏PP材料的计量和暴露时间,几近疯狂,因有UV设备厂准备要上路用来灭COVID-19,随即有Yale 和Harvard学者传给我如下三网页,表明在灭菌的UV强度和暴露的时间下,口罩的强度明显下降,舒缓我的压力,感谢老天!

 

https://t.co/8aPfLMEskF?amp=1

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25806411/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4699414/

 

Gamma射线能量比紫外线更高,MIT的医学院学者传給我如下网页,显示Gamma射线对口罩强度的严重破坏(这是他们新的研究数据,正在投稿)
 
https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.03.28.20043471v1
 
美国NIH证实波长265-285nm UV,暴露100分钟 , 可以灭COVID-19的试验,且可通过泄漏测试,但没有UV破坏材料的数据,如下网页。

 

https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-study-validates-decontamination-methods-re-use-n95-respirators

 

8.EthyleneOxide (EO) 环氧乙烷的影响

EO经常用来做医疗防护材如隔离衣或手术服的灭菌方法,但会残留在材料上,不宜用来做口罩的消毒,吸入残留的EO对人体有害,所以没有人用EO做灭N95的试验。


9.  N95 口罩使用前后的滤效

口罩经过处理后的电荷衰退,一般都是用没有用过的口罩去做试验,如果口罩使用后因人体呼出的水汽集结在口罩内而失去了滤效,那就没有必要去研究口罩如何处理可以灭菌。还好,下表6显示口罩使用后晾干,滤效没有衰退。

 

表6. N95口罩使用前后的滤效(业界提供)

10. 自制口罩的材料

疫情烧到美国,太突然,速度也太快,一时口罩短缺严重,CNN采访我自制口罩该用甚麽材质,市面上没有口罩过滤层的材质,从过滤和疏水的理论,我就建议用PP 或PET无纺布当中间层,外面用手帕或围巾包着,市面上有修护厂油污擦拭布,接近这个结构,美国市面上空气过滤网MERV14级别接近医用口罩第一级别的BFE95,但达不到N95,买不到MERV14, MERV13比BFE95差点,也很好用。

 

第四章 使命

我二月初写的英文版原稿,传给华人地区翻成中文,引来华人地区涌入大量的问题询问。新冠病毒爆发后,中国地区有人发现田纳西大学(田大)于去年8月27号对我报道新发明的网页,翻成中文,文中有误,说我是N95的发明人,N95是一个标准,不是一项发明,我的发明是电晕加电,熔喷电晕加电布是N95口罩的核心材料,所以在SARS期间守护了十亿人的健康,田大是这样写的。


我二月初写的英文版原稿在欧美地区受到揭露,同样引来欧美地区涌入大量的问题询问,有的直接传给我,有的经过田大转传,我的邮箱和LINE几度爆破停摆,田大又聘请我回去,要我整合所有的问题,在原稿上加上FAQ’s 经由田大铺上网,涌入的问题并没有因此而减少,反而增加,多来自媒体人要把讯息播放出去,让大家对口罩了解及可能灭菌重复使用的方法,美国也有很多组织包括N95DECON开始研究如何灭N95 COVID-19重复使用,纷纷向我询问问题,同时也提供給我很多的讯息,我在田大的网页也不断更新,交流后,大家增加了很多的知识。


两个礼拜前NPR (National Public Radio)采访我,我说 “My invention is an ordinal one, nothing special, 记者加上“It‘s very special at this time.”


上个礼拜Reuters(路透社)视讯访问我,问我“What is corona charging?” 我说”It is the same“corona” as corona virus. I am using coronacharging to fight corona virus. 接着问“How do you feel at this time that your invention making the media to make N95 respirators that savelives?” 我说”I am too busy to think about that at this busy time but it is a good opportunity that I can provide information from my 35 years of experience contributing to the communities. This will be a good memory for the rest of my life after retirement.” 人生能有机会对人类社会做出贡献,将会给我余生留下美好的回忆。


此期间我们也忙于把国家科学实验室和工业界做其它产品的熔喷线设备加以修改或工艺加以调整,加上我的电晕加电硬体,做N95口罩材料,忙碌中,找空挡,写了这篇文章和大家分享。

 

现在大家对口罩的知识大增,大家意识到,戴N95口罩,口罩内的氧气比大气中的氧气少了约5-6%, 就是从21% 降为15-16%。有人提议戴N95口罩的同时背一个氧气筒,把氧气灌入口罩内,这可能不太实际。戴呼气阀是一个解决氧气不足的现象,但医疗级的口罩戴呼气阀是不正确的,因为医疗级的口罩要到达双边防护的功能,带呼气阀的口罩只有戴的人的单边防护的功能,且病毒如果卡在气阀上,吸气时也有可能跟着气体吸入人体。

 

去年田大跟我登的网页介绍我新的发明,过滤材料比原先的电晕加电多了一个档次,达到没有加电的20倍效果,N95口罩将来采用这个材料,口罩的舒畅性增加了一倍,口罩内的N95氧气就会增加很多。

 

美国很多医生及学者对我提供的讯息非常感激,说要提名我拿The Nobel Prize, 我说这三个月来,我瘦了10磅,肚子没有了,I deserve a No Belly Prize.



附:蔡秉燚博士二月初撰写N95口罩可否重复使用英文翻译稿。

 

阻挡COVID-19冠状病毒口罩的性能及其灭菌后再次使用的效率下降探讨

 

Peter Tsai, The University of Tennessee

 

医用口罩和N95呼吸防护口罩被广泛用于预防经由空气传播的疾病,如结核病、非典,中东呼吸综合征、禽流感和猪流感以及新型急性冠状病毒呼吸综合征(COVID- 19),口罩过滤层由熔喷(MB)聚丙烯(PP)非织造布静电驻极体构成。


口罩对于尺寸为3μm的细菌的滤过效率(BFE) 是>95-99%,对于尺寸为0.075μm的悬浮亚微米颗粒的滤过效率(FE)是>78-87%。N95对于上述的悬浮亚微米粒子具有>95%的FE以及>>99%的BFE。


N95型呼吸防护口罩边缘密封良好,符合人体面部轮廓的口罩外形结构,能够防止悬浮的亚微米颗粒进入口罩边缘和面部表面之间的空隙。医用口罩通过口罩表面对飞沫的直接惯性碰撞,在阻止携带空气传播疾病的大尺寸飞沫进入人体方面起着至关重要的作用。然而,捕捉上述悬浮的亚微米粒子所具有的FE只有40%,因为其中50%是从口罩边缘和面部表面之间的缝隙进入,而没有经过口罩。


用伽马射线等放射性物质进行灭菌有可能分解PP材料,而用酒精则会消除电荷。然而,据一份报告显示,将口罩暴露在高温70℃空气中30分钟,可以杀死冠状病毒,而此处理的温度和时间仍然可以保留电荷。不过,一定要将口罩悬挂在热空气中,不要接触或太靠近金属件,因为金属温度比热空气高得多,会导致严重的电荷衰减,也会损坏口罩。

 

前言

自武汉爆发COVID-19疫情以来,口罩严重短缺。媒体报道了诸多关于口罩的性能和重复使用以节省消耗的错误新闻。

口罩的应用广泛,种类繁多。口罩或面罩只是一个通用术语。用于预防空气传播疾病的口罩通常有两种,一种是医用口罩(也称为平面口罩),另一种是N95或类似级别(如欧规P2)的呼吸器口罩。这些口罩的FE基本上是由过滤层(口罩的内部材料)纤维中的静电荷达到的。本文将简要介绍这些口罩的性能、在保质期内的静态电荷衰减、使用和重复使用。

 

关键词: 口罩,呼吸器,医用口罩,N95, NIOSH, FDA,非织造布,熔喷(MB),纺黏(SB),聚丙烯(PP),静电充电,驻极体,电荷衰减。


背景

根据ASTM F2100,医用口罩分为三类:一般用途(用于门诊)、亚微米过滤(用于无菌室)和流体阻抗(用于手术室)。一般使用的BFE大于95%命名的BFE 95,细菌过滤效率-根据ASTMF2101使用金黄色葡萄球菌测试,其颗粒大小为3μm。N95口罩是九种微粒过滤口罩中的一种。它由NIOSH (国家职业安全卫生院)所认证,根据42CFR Part 84,在85 Ipm的流量下,使用氯化钠作为测试粒子,测得的FE大于95%。该氯化钠粒子具有0.075μm的中值粒径, 0.26μm的质量平均粒径,几何标准差为1.83。该测试粒子不是单分散的,而是多分散的粒度分布。使用该测试气溶胶,一般使用的医用口罩在32lpm流量下的FE为78%。


过滤介质

医用外科口罩和N95呼吸器是由三层的材料组成,外层由SB PP组成,朝向外部, 中层由带电的MB PP组成,作为过滤层,N95内层由针刺或热固性非织造布组成, 医用口罩内层由SB PP 组成 或纸浆作为与面部接触的吸水舒适层。医用口罩的过滤层只有一层。防护口罩N95由两层MB PP组成,每层的FE都高于医用口罩的过滤层。过滤层作为口罩的过滤功能,但相应地造成了几乎整个口罩的呼吸阻力(或压降)。因此,N95比医用口罩的透气性要差得多,因为它有两层过滤层,而且每层的FE要比医用口罩高得多。如果材料采用最新开发的新型静电充电技术,N95型呼吸防护口罩的呼吸阻力将大为降低。


与不带电相比,带电的FE能增加十到二十倍,例如, 当未充电介质的FE为25%时,充电后效率可达95%,这意味着10层未充电介质的FE与同一介质的一层充电介质的FE相同。采用上述新型充电技术,充电效率提高了20倍。


然而,带电介质总是存在著电荷衰减的现象。据Tsai报道, 如果是正确使用原材料及正确的加电方式,N95口罩的初始滤效是99%, 则根据EN 143和EN149 (欧规口罩标准),口罩经70℃24h热处理,则其电荷衰减率(或FE损失)是在0.5%的范围内。这种高温处理条件模拟了在室温(25℃)下5年的静态货架储存时间中的FE损耗(电荷衰减)。储存环境中的湿度并不是导致电荷衰减的关键因数,因为PP是疏水性材料,其含水量为零。纤维内嵌的电荷不受环境湿度的影响。N95口罩的初始FE通常为99%,以保证在经过5年的静态货架期后,其效率仍远高于95%的要求。


在上述高温处理条件下使用NaCI气凝胶测试一般医用口罩的FE损失率为3%。它的初始FE通常为82%,以保证在经过5年(通常为3年的医用口罩)的静止货架储存时间后,仍能保持对NaCI气凝胶78%的FE,相当于95%的BFE含量。


COVID-19防护和口罩的消毒重复使用

医用口罩的作用是作为阻挡来自他人口中的大量飞沫的屏障。根据2016年NIOSH N95日的一份报告,它们不是防止亚微米颗粒空气传播病毒的理想硬件,因为它们对亚微米的FE不高,而且由于缺乏边缘密封,它们有50%的泄漏。在这种情况下,建议使用N95来防护悬浮的亚微米病毒,防止它们穿透防病毒口罩体和边缘泄漏。然而,病毒总是和一个比病毒本身更大的宿主载体在一起。但载体可以是悬浮的亚微米级的液滴/微粒。


据报道,COVID-2019在65摄氏度下不能存活30分钟。因此,如果口罩介质制作和材料选择正确,在70℃高温空气中消毒30分钟,多次重复处理以多次重复使用,静电消失微乎其微,仍然可以保有原来的过滤效果。但要注意口罩在烤箱内的热空气中悬挂时不要接触或太靠近金属片。


事实是,假冒的口罩材料可能没有正确选择或没有正确充电,或甚至可能根本没有充电。在前一种情况下,带电介质可能没有它最初的滤效,当在上述高温和时间处理后,它表现出快速的电荷衰减。在后一种情况下,介质从一开始就完全没有具备所必要的效率。


标NIOSH N95的效率,有TC号码,由NIOSH监督和审查,标有F2100 的医用口罩,效率由FDA监督和审查。只标N95呼吸器,而不是NIOSH N95,或没标F2100 的医用口罩,是没有被监测或审查。


聚合物PP的表面能为35dynes/cm,是一种疏水性材料,远低于室温水的表面张力71.2 dynes/cm。酒精与PP相比具有较低的表面张力,20 dynes/cm。酒精将会渗透到PP MB织物从而消除电荷。口罩不能用酒精消毒,因为这些电荷会被液体酒精或蒸汽酒精清除。酒精消除电荷的测试标准包括ASHRAE52.2 Appendix G, EN 776, 和 EN16890。放射性如伽马射线等常用于材料的灭菌处理,但不适合于由SB和MB PP材料制成的医用防护服和口罩,因为射线具有分解PP材料的能量,从而导致电荷的丧失。

 

附注: 本文英文版著作时, WHO还没有正式命名这款病毒,临时称为2019 Novel CoV (Corona Virus), 作者对照SARS, 临时称为NARS (Novel Acute Respiratory Syndrome), 为的是意涵和拼音。翻译时WHO已正式取名为COVID-19 (Corona Virus Disease - 19),故翻译文改为这个名词。

 

后序:自武汉新冠状病毒爆发以后,坊间口罩报导铺天盖地,很多语多可采,但也诸多不实或未能详尽,特撰此文,以释群疑。迫于急切需要,仓促付梓,族繁不及备载,文体和翻译,疏漏在所难免。