工藝技術

醫用和N95口罩的性能淺談及其可能滅COVID-19后重復使用的方法簡介

發布日期:2020-04-28 點擊數:46

Peter Tsai 蔡秉燚

2020年4月20日

 

      根據2020年一月我發表的文獻繼續實驗及和名家交流所提供的訊息加以整理

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的研發達35年,其所研發的熔噴和駐極技術轉移給全球工業界使用,生產N95或同等級別以上口罩達數百億片,三次榮獲田大最杰出的創新和技術轉移獎,詳見下網頁。

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/

  

獲得2006Wheeley ,與田納西大學校長和兩個副校長合影。

 

獲得2019Wheeley杰出創新獎 。

 

 

在田納西大學TANDEC。

 

醫用和N95口罩

 

1.  醫用口罩Medical Face Masks)和N95口罩(N95 respirator)是一個標準,不是一項發明。

如下表1.是醫用口罩美規根據ASTM F2100的標準,分為三個級別,細菌濾效是根據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ASTM F2299測試,用的是乳膠顆粒,大小是0.1μm,測試流速是10 cm/s 。抗血液滲透是根據ASTM F1862測試。ASTMF測試類別是有生命威脅的測試標準。

 

1.  醫用口罩級別

性能

級別1

級別2

級別3

細菌濾效, %

>95

>98

>98

阻抗, mmH2O

<5.0

<6.0

<6.0

次微米0顆粒濾效, 0.1μm

>95

>98

>98

抗血噴透, mmHg

>80

>120

>160

阻燃性 16 CFR Part 1610

1

1

1

 

2.  N95口罩

N95口罩稱為N95 Respirator, 不稱為N95 Mask, 因其經過NIOSH認證,簡稱N95。 N95 是美規標準42 CFR Part 84自吸式(Non-powered)微塵過濾口罩的一種,NNot resistant to oil, 95 是過濾微塵濾效達 95% 以上,測試的顆粒是 NaCl,數量平均粒徑是0.075微米,測試流量是85lpm,此外還有更高檔的N99N100, 另外還有抗油性顆粒的口罩R95,R99,R100,P95,P99,P100,1995年訂定。 歐規的標準有FFP1, FFP2, FFP3, 濾效分別是80%,94%,99%, 2001年訂定,后來世界各國陸續訂定類似標準,頒發實施。

N95微塵過濾口罩本是工業上工人用來防護微塵的,約在1996年前后,CDC要求醫護人員照顧經由空氣傳播的肺結核病人配戴N95口罩,后來SARS、MERS、Bird Flu(禽流感)、 Swine Flu(豬流感)等等,WHO要求醫護人員配戴N95口罩。

上述兩種口罩最大的區別是前者通常是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用口罩高以外,另一個特點是它是根據人體臉型輪廓設計,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。

醫用口罩用于醫療用途時, FDA稱為Surgical Masks Face Masks, N95 稱為Surgical N95s Respirators (N95s), 兩者除了符合上述各規格以外,FDA還要按21 CFR 878.4040 法規管理醫療口罩,口罩要達到生物相容性(Biocompatibility)的標準。

 

微塵過濾的機理,加靜電技術和電力吸附機理

 

我的研究領域是熔噴制程和加靜電技術。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??諝膺^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微境影像所示。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。

 

1.  放大兩千倍掃描電子顯微境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, 英文是Electret, 是磁鐵 Magnet的相對詞,后者是鐵質材料帶有永久的磁場,前者是介質材料帶有永久的電場。 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,這種力叫想象力(Image Force,是靜電力的一種,電力分為庫倫力和想像力,庫倫力是正負電荷互相吸引,想像力是正電或負電吸引中性電荷)。所以Electret 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。

另一種加電方法是水利摩擦加電,原理是自然界的閃電,高空純凈的水氣和空氣劇烈摩擦而形成,雷雨交加時在高空中畢然狂風劇作,這種加電方法比電暈加電的檔次要高。

因為電荷是深藏在纖維里面,如果不是受到強列的外界影響作用,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,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??谡衷谑覝丨h境下,電荷衰退得很慢,如下第170oC, 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期是5-10年,廠家自訂。

 

可能滅COVID-19的方法及其對電荷的影響

 

1.  提高溫度處理后的濾效

歐規(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基本上電荷沒有衰退,如下圖2。

 

2.  濾材未加靜電,加靜電后,和熱處理后濾效

 

我根據上述加熱電荷不衰退的結果,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口罩材質的理念,作為可能用來滅N95 COVID-19的一種方法。

文章一鋪網,我的郵件爆滿,問我上之說法有沒有根據,VICE媒體來電話緊追著問我,我說我們田大健康中心正在用COVID-19做實驗,一兩天就會有結果,該記者每天來問,加上美國前五名頂尖大學醫學院的同仁每天飛來無數詢問的郵件,我幾乎瘋狂,瀕臨崩潰。

全世界上在等溫度滅COVID-19的數據,一個禮拜后,一個做烘箱設備的業者打電話給我,提供香港大學70, 30分鐘滅COVID-19的初步數據,如下網頁。

 

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

 

該單位接受美國NIH 的部分資助,數據比較可靠,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COVID-19的研究,如下網頁。

 

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

 

三個禮拜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COVID-19, 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121oC蒸汽, 時間3分鐘,發現加靜電布電荷幾乎沒有衰退,所以在有滅菌要求的加靜電布,新的口罩已經從大氣中附著了一些病菌,就用這個方法來消毒新的醫用口罩。新冠狀病毒爆發后,口罩一時間短缺,希望用傳統的高溫法來滅COVID-19,口罩得以重復使用,提高溫度可以滅COVID-19,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COVID-19,變數太多,還沒有明確的數據做定論。我們做了高溫干、濕情況下電荷和對材質的影響,結果如表2所示。

 

2. 常壓蒸汽處理(部分業界提供)

蒸汽處理

實驗值

理論值

醫用口罩初始值

     93.2%

 

處理5分鐘

     91.7%

 

處理30 分鐘

     85.2%

 

N95 初始值

 

     99%%

處理5分鐘

 

     98.5%

處理30 分鐘

 

     97.5%

 

繼香港大學提供的實驗數據以后不久,哈佛大學學者傳給我法國的團隊實驗數據的手稿如下網頁,顯示56℃,30分鐘干熱可部分但無法完全滅COVID-19,60℃,60分鐘干熱可以完全滅COVID-19,但在有BSA(牛血清白蛋白)的情況下,上述兩種條件無法滅COVID-19,92℃,15分鐘才可以完全滅COVID-19。

 

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

 

口罩,尤其是N95口罩,是由很多種不同材質的材料所組成,用以保持N95使用時的口罩形狀。溫度太高,因為各材質的熱收縮性不同,造成口罩變形,如下圖經水煮和蒸汽處理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。

 

3.  經水煮或常壓蒸汽處理3分鐘后有些醫用口罩(左)材質破壞或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 雙組分材料經熱風黏結而成,該種材料在約100℃時形狀就發生改變。故N95 經熱處理滅菌后,要先看形狀的改變有沒有影響密合度,才能再度使用。

醫用口罩是平面的結構,沒有密合度的要求,熱處理后稍稍變形,問題不大。一般醫用口罩,外層是疏水性的紡粘PP,用于擋大顆粒的液體如飛沫,內層是吸水性類似棉質的黏膠纖維或其混合物經水刺而成,但也有用木漿經濕法成型如同紙類,遇水就會散開,失去了強度,所以不適合用沸水或蒸汽處理。電鍋不加水是屬干熱高溫法,但電鍋有大有小,造成的空氣溫度可能不一樣,我們的數據顯示在120℃下30分鐘,N95的濾效從99% 降到97.5%可接受的范圍,PP的結晶溫度是137, 熔點是160℃,擺放口罩時要放在條子型架子上面(最好不是金屬材料), 不能直接放到金屬鍋上,道理不是金屬會導掉靜電荷,而是金屬的溫度比空氣的溫度高很多,如果口罩糊了就是溫度超過了PP的結晶溫度,或是溫度到了PP的熔點導致材料的熔化,操作不得不注意。

有人在問用煮飯的電鍋來滅口罩的病毒,衛生不衛生?衛生不衛生不是我專長,要問世界衛生組織。

 

3.  酒精,肥皂,和漂白水處理后的濾效

美規(ASHRA52.2)和歐規 (EN776 ISO16890)空氣濾網的標準近兩年來紛紛采用異丙醇消除濾網加靜電的電荷再做濾效測試,業界普遍知道酒精會消除靜電,我們對醫用口罩用酒精處理,有洗掉電荷的現象(表3)。

 

                           3. 醫用口罩酒精和肥皂水處理

酒精和肥皂水處理

濾效(5%

醫用口罩初始值

93.2%

醫用酒精浸泡

67.0%

酒精熏蒸(按ISO

47.4%

肥皂水手洗兩分鐘

54.0%

 

NIH 證實70%乙醇可滅COVID-9的研究結果如下網頁。

 

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

 

根據我們提供酒精和肥皂水水洗會消除靜電的訊息,美國N95DECON 團隊也說明不能用酒精和肥皂水水洗消毒N95口罩,如下網頁,文章也說明不能用含有漂白劑的液體浸泡消毒N95口罩,電荷也會衰退。

https://www.n95decon.org/

 

4.  雙氧水處理后的濾效

美國FDA兩三個禮拜前核準了第一家設備Battelle用氣化的H2O2處理兩個小時消毒N95 口罩COVID-19,后來又核準了四家設備廠。核準第一家時,CNN 采訪我,要我發表評論,我說FDA已經核準的,我就不必發表評論(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,發現電荷沒有衰退的現象(表4。

4. N95口罩雙氧水處理后的濾效(業界提供)

N95

H2O2處理前

H2O2 處理干燥后

 

Respirators

FE (%)

R (mmH2O)

FE (%)

R (mmH2O)

 

1

99.629

8

99.562

7.7

 

2

99.648

8.1

99.579

7.9

 

3

99.674

7.9

99.583

7.7

 

4

99.67

8.2

99.582

8

 

Before H2O2 immersion treatment - New N95 采用H2O2浸泡處理前-新的N95

After2.5% - 3.5% H2O2 immersion treatment for five minutes. The respirator wetted out.

(采用濃度為2.5% - 3.5% H2O2浸泡處理5分鐘后,N95全部潤濕)

Dripping dry for 24 hours, not quite dry, then heat treated at 70C for 30'

(懸掛滴晾24小時,非全干,隨后采用70℃處理30'

 

Tested using TSI 8130 according to CFR 42 Part 84 at 85 lpm to test N95

(根據CFR 42 Part 84采用TSI 813 0進行測試,氣流速度85 lpm

 

 

N95DECON說明氣態的H2O2凝結在N95的表面殺死COVID-19, 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(O3)處理和日曬后的濾效

休旅車內N95處理環境(圖4),經臭氧處理和日曬后都沒有顯示電荷衰退的現象(5.),但經臭氧處理的這款口罩耳帶(松緊帶) 有裂痕的現象(圖5),強度降低很多,文獻有資料報導這一現象。

         

4. N95 口罩懸掛臭氧處理25 分鐘。 圖5. 松緊帶經臭氧處理后有裂痕。

 

5.N95口罩臭氧處理和日曬后的濾效(部份業界提供)

處理方法

處理 

理后 

 

濾效

%

阻抗(mmH2O)

濾效

%

阻抗(mmH2O)

臭氧(O3), 25', 1

98.17

9.5

98.46

9.6

臭氧(O3), 25', 2

97.6

9.5

97.86

9.7

日曬(70F), 3 (8小時/天)

97.89

9.1

98.15

9.3

注:測試按42CFR Part 84。

       

 

還沒有文獻和數據顯示臭氧可以滅COVID-19, N95DECON說明臭氧對人體有害,不建議使用。

坊間有說這個病毒怕陽光, 多怕?沒有數據!眾所周知來到地球的日光含有大量的紫外線,但N95DECON 一個禮拜前的數據說:文獻顯示來到地球的陽光沒有紫外線,所以陽光不能滅COVID-19, 昨天公布的網頁,這一席話已經不復存在,所以陽光能不能滅COVID-19,目前還沒有數據,不過,下第6.可當參考。

 

6.  使用后存放幾天再重復使用

根據新英格蘭醫學雜志(NEJM. March 17, 2020) 報導,實驗溫度是70-73F, 相對濕度是40%。

 

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

 

COVID-19的最長存活期如下:

1.  氣溶膠化懸浮于空氣中3小時

2.  銅金屬表面4小時

3.  紙版表面24小時

4.  不銹鋼金屬表面兩天

5.  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,仍然持保留態度。

上述氣溶膠化懸浮于空氣中COVID-19可存活3小時,但根據專家解析,是實驗室方法讓病毒懸浮在空氣中,一般認為COVID-19, 縱然是微小顆粒,在短距離內就會掉落在地上,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

UVGamma射線是經常用來做材料滅菌的,在田納西大學網頁上我寫的文章里,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。我的文章鋪出去以后,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設備廠準備要上路用來滅COVID-19,隨即有Yale Harvard學者傳給我如下三網頁,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!

 

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

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

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

 

Gamma 射線能量比紫外線更高,MIT的醫學院學者傳給我如下網頁,顯示Gamma射線對口罩強度的嚴重破壞(這是他們新的研究數據,正在投稿)

 

https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.03.28.20043471v1

 

美國NIH證實波長265-285nm UV,暴露100分鐘 , 可以滅COVID-19的試驗,且可通過泄漏測試,但沒有UV破壞材料的數據,如下網頁。

 

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

 

8.  Ethylene Oxide (EO) 環氧乙烷的影響

 

EO經常用來做醫療防護材如隔離衣或手術服的滅菌方法,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做滅N95的試驗。

 

9.  N95 口罩使用前后的濾效

口罩經過處理后的電荷衰退,一般都是用沒有用過的口罩去做試驗,如果口罩使用后因人體呼出的水汽集結在口罩內而失去了濾效,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。

 

6. N95口罩使用前后的濾效(業界提供)

N95

使用前 

使用后 

晾干再70C, 30'處理

 

濾效

(%)

阻抗(mmH2O)

濾效

(%)

阻抗(mmH2O)

濾效

(%)

阻抗(mmH2O)

Wearer 1

99.787

9.3

99.757

9.4

99.746

9.3

Wearer 2

99.774

7.4

99.767

7.4

99.742

7.3

Wearer 3

99.869

8.2

99.77

8.2

99.715

7.9

Wearer 4

99.852

7.5

99.787

7.6

99.710

7.2

使用時間8小時, 測試按42 CFR Part84。

   

 

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甚麼材質,市面上沒有口罩過濾層的材質,從過濾和疏水的理論,我就建議用PP PET無紡布當中間層,外面用手帕或圍巾包著,市面上有修護廠油污擦拭布,接近這給結構,美國市面上空氣過濾網MERV14級別接近醫用口罩第一級別的BFE95,但達不到N95,買不到MERV14, MERV13BFE95差點,也很好用。

 

使命

 

我二月初寫的英文版原稿,傳給華人地區翻成中文,引來華人地區涌入大量的問題詢問。新冠病毒爆發后,中國地區有人發現田納西大學(田大)于去年827號對我報導新發明的網頁,翻成中文,文中有誤,說我是N95的發明人,N95是一個標準,不是一項發明,我的發明是電暈加電,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受到揭露,同樣引來歐美地區涌入大量的問題詢問,有的直接傳給我,有的經過田大轉傳,我的郵箱和LINE幾度爆破停擺,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 經由田大鋪上網,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開始研究如何滅N95 COVID-19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 “My invention is an ordinal one, nothing special, 記者加上“It‘s very special at this time.”

 

上個禮拜Reuters(路透社)視訊訪問我,問我“What is corona charging?” 我說”It is the same “corona” as corona virus. I am using corona charging to fight corona virus. 接著問“How do you feel at this time that your invention making the media to make N95 respirators that save lives?” 我說”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.” 人生能有機會對人類社會做出貢獻,將會給我余生留下美好的回憶。

此期間我們也忙于把國家科學實驗室和工業界做其它產品的熔噴線設備加以修改或工藝加以調整,加上我的電暈加電硬體,做N95口罩材料,忙碌中,找空擋,寫了這篇文章和大家分享。

 

現在大家對口罩的知識大增,大家意識到,戴N95口罩,口罩內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,這可能不太實際。戴呼氣閥是一個解決氧氣不足的現象,但醫療級的口罩戴呼氣閥是不正確的,因為醫療級的口罩要到達雙邊防護的功能,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。

 

去年田大跟我登的網頁介紹我新的發明,過濾材料比原先的電暈加電多了一個檔次,達到沒有加電的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,口罩內的N95氧氣就會增加很多。

 

美國很多醫生及學者對我提供的訊息非常感激,說要提名我拿The Nobel Prize, 我說這三個月來,我瘦了10磅,肚子沒有了,I deserve a No Belly Prize.

 

 

附:蔡秉燚博士二月初撰寫N95口罩可否重復使用英文翻譯稿。

 

阻擋COVID-19冠狀病毒口罩的性能及其滅菌后再次使用的效率下降探討

 

Peter Tsai, The University of Tennessee

 

摘 要

醫用口罩和N95呼吸防護口罩被廣泛用于預防經由空氣傳播的疾病,如結核病、非典,中東呼吸綜合征、禽流感和豬流感以及新型急性冠狀病毒呼吸綜合征(COVID- 19),口罩過濾層由熔噴(MB)聚丙烯(PP)非織造布靜電駐極體構成。

口罩對于尺寸為3um的細菌的濾過效率(BFE) >95-99%,對于尺寸為0.075um的懸浮亞微米顆粒的濾過效率(FE)>78-87%。N95對于上述的懸浮亞微米粒子具有>95%FE以及>>99%BFE。

N95型呼吸防護口罩邊緣密封良好,符合人體面部輪廓的口罩外形結構,能夠防止懸浮的亞微米顆粒進入口罩邊緣和面部表面之間的空隙。醫用口罩通過口罩表面對飛沫的直接慣性碰撞,在阻止攜帶空氣傳播疾病的大尺寸飛沫進入人體方面起著至關重要的作用。然而,捕捉上述懸浮的亞微米粒子所具有的FE只有40%,因為其中50%是從口罩邊緣和面部表面之間的縫隙進入,而沒有經過口罩。

用伽馬射線等放射性物質進行滅菌有可能分解PP材料,而用酒精則會消除電荷。然而,據一份報告顯示,將口罩暴露在高溫70℃空氣中30分鐘,可以殺死冠狀病毒,而此處理的溫度和時間仍然可以保留電荷。不過,一定要將口罩懸掛在熱空氣中,不要接觸或太靠近金屬件,因為金屬溫度比熱空氣高得多,會導致嚴重的電荷衰減,也會損壞口罩。

 

 

前言

自武漢爆發COVID-19疫情以來,口罩嚴重短缺。媒體報道了諸多關于口罩的性能和重復使用以節省消耗的錯誤新聞。

口罩的應用廣泛,種類繁多??谡只蛎嬲种皇且粋€通用術語。用于預防空氣傳播疾病的口罩通常有兩種,一種是醫用口罩(也稱為平面口罩),另一種是N95或類似級別 (如歐規P2)的呼吸器口罩。這些口罩的FE基本上是由過濾層(口罩的內部材料)纖維中的靜電荷達到的。本文將簡要介紹這些口罩的性能、在保質期內的靜態電荷衰減、使用和重復使用。

 

關鍵詞: 口罩,呼吸器,醫用口罩,N95, NIOSH, FDA,非織造布,熔噴(MB),紡黏(SB),聚丙烯(PP),靜電充電,駐極體,電荷衰減。

 

背景

根據ASTM F2100,醫用口罩分為三類:一般用途(用于門診)、亞微米過濾(用于無菌室)和流體阻抗(用于手術室)。一般使用的BFE大于95%命名的BFE 95,細菌過濾效率-根據ASTM F2101使用金黃色葡萄球菌測試,其顆粒大小為3 um。N95口罩是九種微粒過濾口罩中的一種。它由NIOSH (國家職業安全衛生院)所認證,根據42 CFR Part 84,在85 Ipm的流量下,使用氯化鈉作為測試粒子,測得的FE大于95%。該氯化鈉粒子具有0.075um的中值粒徑, 0.26 um的質量平均粒徑,幾何標準差為1.83。該測試粒子不是單分散的,而是多分散的粒度分布。使用該測試氣溶膠,一般使用的醫用口罩在32 lpm流量下FE78%。

過濾介質

醫用外科口罩和N95呼吸器是由三層的材料組成,外層由SB PP組成,朝向外部, 中層由帶電的MB PP組成,作為過濾層,N95內層由針刺或熱固性非織造布組成, 醫用口罩內層由SB PP 組成 或紙漿作為與面部接觸的吸水舒適層。醫用口罩的過濾層只有一層。防護口罩N95由兩層MB PP組成,每層的FE都高于醫用口罩的過濾層。過濾層作為口罩的過濾功能,但相應地造成了幾乎整個口罩的呼吸阻力(或壓降)。因此,N95比醫用口罩的透氣性要差得多,因為它有兩層過濾層,而且每層的FE要比醫用口罩高得多。如果材料采用最新開發的新型靜電充電技術,N95型呼吸防護口罩的呼吸阻力將大為降低。

與不帶電相比,帶電的FE能增加十到二十倍,例如, 當未充電介質的FE25%時,充電后效率可達95%,這意味著10層未充電介質的FE與同一介質的一層充電介質的FE相同。采用上述新型充電技術,充電效率提高了20倍。

然而,帶電介質總是存在著電荷衰減的現象。據Tsai報道, 如果是正確使用原材料及正確的加電方式,N95口罩的初始濾效是99%, 則根據EN 143EN 149 (歐規口罩標準),口罩經7024h熱處理,則其電荷衰減率(FE損失)是在0.5%的范圍內。這種高溫處理條件模擬了在室溫(25)5年的靜態貨架儲存時間中的FE損耗(電荷衰減)。儲存環境中的濕度并不是導致電荷衰減的關鍵因數,因為PP是疏水性材料,其含水量為零。纖維內嵌的電荷不受環境濕度的影響。N95口罩的初始FE通常為99%,以保證在經過5年的靜態貨架期后,其效率仍遠高于95%的要求。

在上述高溫處理條件下使用NaCI氣凝膠測試一般醫用口罩的FE損失率為3%。它的初始FE通常為82%,以保證在經過5(通常為3年的醫用口罩)的靜止貨架儲存時間后,仍能保持對NaCI氣凝膠78%FE,相當于95%BFE含量。

COVID-19防護和口罩的消毒重復使用

醫用口罩的作用是作為阻擋來自他人口中的大量飛沫的屏障。根據2016NIOSH N95日的一份報告,它們不是防止亞微米顆??諝鈧鞑ゲ《镜睦硐胗布?,因為它們對亞微米的FE不高,而且由于缺乏邊緣密封,它們有50%的泄漏。在這種情況下,建議使用N95來防護懸浮的亞微米病毒,防止它們穿透防病毒口罩體和邊緣泄漏。然而,病毒總是和一個比病毒本身更大的宿主載體在一起。但載體可以是懸浮的亞微米級的液滴/微粒。

據報道,COVID-201965攝氏度下不能存活30分鐘。因此,如果口罩介質制作和材料選擇正確,在70℃高溫空氣中消毒30分鐘,多次重復處理以多次重復使用,靜電消失微乎其微,仍然可以保有原來的過濾效果。但要注意口罩在烤箱內的熱空氣中懸掛時不要接觸或太靠近金屬片。

事實是,假冒的口罩材料可能沒有正確選擇或沒有正確充電,或甚至可能根本沒有充電。在前一種情況下,帶電介質可能沒有它最初的濾效,當在上述高溫和時間處理后,它表現出快速的電荷衰減。在后一種情況下,介質從一開始就完全沒有具備所必要的效率。

NIOSH N95的效率,有TC號碼,由NIOSH監督和審查,標有F2100 的醫用口罩,效率由FDA監督和審查。只標N95呼吸器,而不是NIOSH N95,或沒標F2100 的醫用口罩,是沒有被監測或審查。

聚合物PP的表面能為35dynes /cm,是一種疏水性材料,遠低于室溫水的表面張力71.2 dynes/cm。酒精與PP相比具有較低的表面張力,20 dynes/cm。酒精將會滲透到PP MB織物從而消除電荷??谡植荒苡镁凭?,因為這些電荷會被液體酒精或蒸汽酒精清除。酒精消除電荷的測試標準包括ASHRAE 52.2 Appendix G, EN 776, EN 16890。放射性如伽馬射線等常用于材料的滅菌處理,但不適合于SBMB PP材料制成的醫用防護服和口罩,因為射線具有分解PP材料的能量,從而導致電荷的喪失。

 

附注: 本文英文版著作時, WHO還沒有正式命名這款病毒,臨時稱為2019 Novel CoV (Corona Virus), 作者對照SARS, 臨時稱為NARS (Novel Acute Respiratory Syndrome), 為的是意涵和拼音。翻譯時WHO已正式取名為COVID-19 (Corona Virus Disease - 19),故翻譯文改為這個名詞。

 

后序:自武漢新冠狀病毒爆發以還,坊間口罩報導鋪天蓋地,很多語多可采,但也諸多不實或未能詳盡,特撰此文,以釋群疑。迫于急切需要,倉促付梓,族繁不及備載,文體和翻譯,疏漏在所難免。

 

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