原文：http://www.mittrchina.com/news/5132
“N95濾材之父”蔡秉燚撰文：能有機會對社會做出貢獻，將給我的餘生留下美好回憶
編者按：在我們與 N95 濾材之父蔡秉燚（Peter Tsai）的采訪報道之後，新冠疫情在全球仍有蔓延趨勢，與此同時大量關於口罩使用的相關研究也不斷更新。作為該領域的權威專家，蔡秉燚教授一直對這些信息持續關注，並在百忙中將自己的體會與研究觀察整理成文，現授權 DeepTech 發布，文章經過基於原意的刪改。
我二月初寫的英文版原稿，傳到華人地區被翻成中文，引來華人地區湧入大量的問題詢問。
新冠病毒暴發後，中國大陸地區有人發現田納西大學（田大）於去年 8 月 27 號對我報道新發明的網頁，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得到披露，同樣引來歐美地區湧入大量的問題詢問，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 經由田大傳上網。湧入的問題並沒有因此而減少，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複使用的方法，美國也有很多組織包括 N95DECON 開始研究如何將 N95 重複使用，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，交流後，大家增加了很多的知識。
兩個禮拜前 NPR (National Public Radio) 采訪我，我說 “我的發明挺平凡的，沒什麽特別”, 記者說 “現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 “什麽是電暈加電技術（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去抗爭新冠病毒”。
路透社接著問：“現在，你的發明讓 N95 可以救助無數生命，你有什麽感受?”
我說：“現在，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 年的從業經驗，為各種社區提供有用的信息。人生能有機會對人類社會做出貢獻，將會給我餘生留下美好的回憶。”
在此期間，我們也忙於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。忙碌之中我找到空當，寫了這篇文章和大家分享。具體是根據 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成文。
現在大家對口罩的知識大增，人們意識到，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辦法，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達到雙邊防護的功能，帶呼氣閥的口罩隻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，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，長期致力於用於空氣濾材靜電駐極體和熔噴納米製程技術的研發達 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，三次榮獲田大最傑出的創新和技術轉移獎。
醫用和 N95 口罩的區別
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。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，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上工人用來防護微塵的，約在 1996 年前後，CDC 要求醫護人員照顧經由空氣傳播的肺結核病人時配戴 N95 口罩，後來 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。
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製程和加靜電技術。熔噴是一種製造超細纖維（約 2μm）的無紡布加工過程，同等重量的布，纖維表麵積和纖維細度成反比，纖維細表麵積就大，表麵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），是利用纖維的表麵吸附了微塵，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麵上
上麵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。電暈加電後，過濾效果可以提高 10 個檔次，意思是加靜電後，一層布的過濾效果相當於沒有加靜電 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)，加電後成為永久的帶電體，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。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裏麵，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而消失。口罩碰到水電荷不會消失，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。口罩用肥皂水洗，下文中第 3 項有說明會洗掉電荷。口罩在室溫環境下，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. 提高溫度處理後的濾效
歐規 (EN143, EN149) 的口罩認證，測試前要先於 70℃ 溫控 24 小時預處理，用該種條件處理後，N95 口罩加靜電布的材質基本上電荷沒有衰退，如下圖 2。
圖 2. 濾材未加靜電，加靜電後，和熱處理後濾效
我根據上述加熱電荷不衰退的結果，及文獻上溫度 56℃，30 分鍾 到 75℃， 5 分鍾可以滅 SARS 的訊息，提供 70℃， 30 分鍾，電荷不會衰退，不會破壞 N95 口罩材質的理念，作為可能用來殺滅 N95 上新冠病毒的一種方法。
文章一上網，我的郵件爆滿，問我上述說法有沒有根據，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新冠病毒的數據，一個禮拜後，一個做烘箱設備的業者打電話給我，提供香港大學 70℃, 30 分鍾滅新冠病毒的初步數據。
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。後來美國 NIH 證實 70℃, 60 分鍾幹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、高溫幹熱，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 分鍾，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。新冠病毒暴發後，口罩一時間短缺，希望用傳統的高溫法來滅新冠病毒，口罩得以重複使用，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，變數太多，還沒有明確的數據做定論。我們做了高溫幹、濕情況下電荷和對材質的影響，結果如表 2 所示。
繼香港大學提供的實驗數據以後不久，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 分鍾幹熱可部分但無法完全滅新冠病毒，60℃，60 分鍾幹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 分鍾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 分鍾後的 N95 形狀的改變，失去了密合性，就失去了 N95 的意義。
圖 3. 經水煮或常壓蒸汽處理 3 分鍾後有些醫用口罩（左）材質破壞或 N95 口罩（右兩個）形狀的改變。
有些 N95 口罩表、裏層采用低熔點型（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 經熱處理滅菌後，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，和漂白水處理後的濾效
美規（ASHRA52.2）和歐規 (EN776 和 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）。
4、雙氧水處理後的濾效
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，後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）。之後，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）。
N95DECON 說明氣態的 H2O2 凝結在 N95 的表麵殺死新冠病毒, 沒說明是 H2O2 氣體有穿透 N95, 或許隻要滅菌表麵就行, 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 不建議使用市麵的雙氧水滅菌，因為市麵上的雙氧水，1. 成分不一，滅菌效果不一，2. 或含有危害健康的成分。
5、臭氧處理和日曬後的濾效
家用車內 N95 處理環境（圖 4），經臭氧處理和日曬後都沒有顯示電荷衰退的現象 (表 5.)，但經臭氧處理的這款口罩耳帶（鬆緊帶） 有裂痕的現象（圖 5），強度降低很多，文獻有資料報道這一現象。
圖 4. N95 口罩懸掛臭氧處理 25 分鍾。圖 5. 鬆緊帶經臭氧處理後有裂痕。
還沒有文獻和數據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，目前還沒有數據，不過，第 6. 可當參考。
6、使用後存放幾天再重複使用
根據《新英格蘭醫學雜誌》（NEJM）報道，新冠病毒的最長存活期如下：
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氣溶膠化懸浮於空氣中 3 小時
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銅金屬表麵 4 小時
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紙版表麵 24 小時
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不鏽鋼金屬表麵兩天
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塑膠表麵三天
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，口罩幹了，病毒就會死。N95 口罩除了鼻梁有些是鋁片製的以外，其它材質是塑膠材料，按照 NEJM 的資料和上麵專家的說法，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 說明病毒在表麵上可存活 3 天或 3 天以上 (可能是根據 NEJM，所以不建議口罩放一宿，第二天重複使用，至於放幾天後可以滅菌重複使用，仍然持保留態度）。
上述氣溶膠化懸浮於空氣中新冠病毒可存活 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，一般認為新冠病毒 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
UV 和 Gamma 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裏，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。我的文章發出去以後，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於殺滅新冠病毒，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，麻省理工學院醫學院學者傳給我他們新的研究數據（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 分鍾 ，可以滅新冠病毒的試驗，且可通過泄漏測試，但沒有 UV 破壞材料的數據。
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 做消毒 N95 的試驗。
9.N95 口罩使用前後的濾效
口罩經過處理後的電荷衰退，一般都是用全新的口罩去做試驗，如果口罩使用後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 顯示口罩使用後晾幹，濾效沒有衰退。
10、自製口罩的材料
疫情燒到美國，太突然，速度也太快，一時口罩短缺嚴重，CNN 采訪我自製口罩該用什麽材質，市麵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 或 PET 無紡布當中間層，外麵用手帕或圍巾包著，市麵上有修護廠的油汙擦拭布，接近這個結構，美國市麵上空氣過濾網 MERV14 級別接近醫用口罩第一級別的 BFE95，但達不到 N95，買不到 MERV14, MERV13 比 BFE95 差點，也很好用。
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1. NPR采訪：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介紹：https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Tsai
