原文：http://www.mittrchina.com/news/5132
“N95滤材之父”蔡秉燚撰文：能有机会对社会做出贡献，将给我的余生留下美好回忆
编者按：在我们与 N95 滤材之父蔡秉燚（Peter Tsai）的采访报道之后，新冠疫情在全球仍有蔓延趋势，与此同时大量关于口罩使用的相关研究也不断更新。作为该领域的权威专家，蔡秉燚教授一直对这些信息持续关注，并在百忙中将自己的体会与研究观察整理成文，现授权 DeepTech 发布，文章经过基于原意的删改。
我二月初写的英文版原稿，传到华人地区被翻成中文，引来华人地区涌入大量的问题询问。
新冠病毒暴发后，中国大陆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得到披露，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 几度被挤爆停摆，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 经由田大传上网。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 开始研究如何将 N95 重复使用，纷纷向我询问问题，同时也提供给我很多的讯息，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 “我的发明挺平凡的，没什么特别”, 记者说 “现在这个时间点是很特别的”。
上个礼拜 Reuters（路透社）视频采访我，问我 “什么是电晕加电技术（corona charging）”。
我说：“电晕的单词和新冠病毒 “corona” 是相通的。我用电晕加电的技术去抗争新冠病毒”。
路透社接着问：“现在，你的发明让 N95 可以救助无数生命，你有什么感受?”
我说：“现在，我太忙了，没有时间去考虑这个问题。但这对我是一个很好的机会，我可以用我 35 年的从业经验，为各种社区提供有用的信息。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。”
在此期间，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。忙碌之中我找到空当，写了这篇文章和大家分享。具体是根据 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成文。
现在大家对口罩的知识大增，人们意识到，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办法，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达到双边防护的功能，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。
去年田大介绍我的新发明，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，还有人说要提名我拿诺贝尔奖（ The Nobel Prize），我说这三个月来，我瘦了 10 磅，肚子没有了，我应该拿一个 No Belly Prize（ 没有肚子奖，谐音 Nobel Prize）。
图丨蔡秉燚是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给全球工业界使用，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。
医用和 N95 口罩的区别
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 (1 ft3/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。
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。
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时配戴 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。
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，即驻极体（Electret）。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。所以驻极体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。
因为电荷是深藏在纤维里面，如果不是受到强烈的外界影响作用，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。
可能消灭新冠病毒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，作为可能用来杀灭 N95 上新冠病毒的一种方法。
文章一上网，我的邮件爆满，问我上述说法有没有根据，VICE 媒体来电话紧追着问我，我说田大健康中心正在用新冠病毒做实验，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新冠病毒的数据，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 分钟灭新冠病毒的初步数据。
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 分钟干热可灭新冠病毒的研究。
几周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 申请核准灭新冠病毒, 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。新冠病毒暴发后，口罩一时间短缺，希望用传统的高温法来灭新冠病毒，口罩得以重复使用，提高温度可以灭新冠病毒，如上 NIH 所述, 唯再提高温度，及采用不同的湿度，多久的时间可以灭新冠病毒，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。
继香港大学提供的实验数据以后不久，哈佛大学学者传给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新冠病毒，60℃，60 分钟干热可以完全灭新冠病毒，但在有 BSA（牛血清白蛋白）的情况下，上述两种条件无法灭新冠病毒，需 92℃，15 分钟才可以完全灭新冠病毒。
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。
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）。
4、双氧水处理后的滤效
美国 FDA 不久前核准了第一家设备 Battelle 用气化的双氧水处理两个小时，消毒 N95 口罩，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）。
N95DECON 说明气态的 H2O2 凝结在 N95 的表面杀死新冠病毒, 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、臭氧处理和日晒后的滤效
家用车内 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，文献有资料报道这一现象。
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。
还没有文献和数据显示臭氧可以灭新冠病毒，但 N95DECON 说明臭氧对人体有害，不建议使用。阳光能不能杀灭新冠病毒，目前还没有数据，不过，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）报道，新冠病毒的最长存活期如下：
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气溶胶化悬浮于空气中 3 小时
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铜金属表面 4 小时
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纸版表面 24 小时
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不锈钢金属表面两天
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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新冠病毒可存活 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，一般认为新冠病毒 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。我的文章发出去以后，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 设备厂准备要实际应用于杀灭新冠病毒，随即有耶鲁和哈佛大学的学者传给我资料，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！
Gamma 射线能量比紫外线更高，麻省理工学院医学院学者传给我他们新的研究数据（正在投稿），显示 Gamma 射线对口罩强度的严重破坏。
美国 NIH 证实，波长 265-285nm UV，暴露 100 分钟 ，可以灭新冠病毒的试验，且可通过泄漏测试，但没有 UV 破坏材料的数据。
8．Ethylene Oxide (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 做消毒 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，一般都是用全新的口罩去做试验，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。
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什么材质，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，市面上有修护厂的油污擦拭布，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。
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1. NPR采访：N95 Mask Shortage Brings Inventor Out Of Retirement In Search Of Safe Reuse Method
https://www.wbur.org/npr/836719917/n95-filter-inventor-comes-out-of-retirement-to-help-further
2. Peter Tsai介绍：https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Tsai
