資訊分享

阻擋COVID-2019冠狀病毒口罩的性能及其滅菌後再次使用的效率下降探討-蔡秉燚博士

阻擋COVID-2019冠狀病毒口罩的性能及其滅菌後再次使用的效率下降探討

Peter Tsai, The University of Tennessee

摘要

醫用口罩N95呼吸防護口罩被廣泛用於預防空氣傳播的疾病,如結核病、非典、中東呼吸綜合症、禽流感和豬流感以及新型急性冠狀病毒呼吸綜合症(COVID-2019)。

口罩過濾層由熔噴(MB)聚丙烯(PP)不織布靜電駐極體構成。

口罩對於尺寸為3μm的細菌的過濾效率(BFE) 是95-99%,對於尺寸為0.075um的懸浮次微米顆粒的過濾效率(FE)是78-87%。

N95對於上述的懸浮次微米粒子具有>95%的FE以及>99%的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,能夠防止懸浮的次微米顆粒進入口罩邊緣和面部表面之間的空隙。

醫用口罩利用飛沫對口罩表面的直接慣性碰撞,主要在阻止攜帶空氣傳播疾病的大尺寸飛沫進入人體。

然而,捕捉上述懸浮的次微米粒子所具有的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。據一份報告顯示,將口罩暴露在高溫60攝氏度空氣中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-2019疫情以來,口罩嚴重短缺。媒體報導了諸多關於口罩的性能和重複使用以節省消耗的錯誤新聞。

口罩的應用廣泛,種類繁多。口罩或面罩只是一個通用術語。

用於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、使用和重複使用。

關鍵字: 口罩,呼吸器,醫用口罩,N95, NIOSH, FDA,不織布布,熔噴(MB),紡黏(SB),聚丙烯(PP),靜電加電,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(用於門診)、次微米過濾(用於無菌室)和流體阻抗(用於手術室)。一般使用的BFE大於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3μm。

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 LPM的流量下,使用氯化鈉作為測試粒子,測得的FE大於95%。該氯化鈉粒子具有0.075μm的中值粒徑,0.26μm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,而是多分散的細微性分佈。

一般醫用口罩使用上述測試之氣溶膠在32 LPM流量下的FE為78%。

過濾介質

醫用外科口罩和N95口罩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內層由針軋或熱固性不織布組成,醫用口罩內層由SB PP 或紙漿不織布組成,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,N95口罩則由兩層MB PP組成,每層的FE都高於醫用口罩的過濾層。

過濾層作為口罩的過濾功能,但相對地增加了整個口罩的呼吸阻力(或壓降)。因此,N95口罩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。如果材料採用最新開發的新型靜電加電技術,N95型呼吸防護口罩的呼吸阻力將大為降低。

與不帶電的過濾層相比,帶電的過濾層FE能增加十到二十倍,例如,當未加電介質的FE為25%時,加電後效率可達95%,這意味著10層未加電介質的FE與同一介質的一層加電介質的FE相同。採用上述新型加電技術,加電效率提高了20倍。

然而,帶電介質總是存在著電荷衰減的現象。據蔡博士分享,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 143和EN 149 (歐規口罩標準),口罩經70℃24小時熱處理,則其電荷衰減率(或FE損失)是在0.5%的範圍內。這種高溫處理條件模擬了在室溫(25℃)下5年的靜態貨架儲存時間中的FE損耗(電荷衰減)。儲存環境中的濕度並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年的靜態貨架期後,其效率仍遠高於95%的要求。

在上述高溫處理條件下使用NaCI氣溶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年(通常為3年的醫用口罩)的靜止貨架儲存時間後,仍能保持對NaCI氣溶膠78%的FE,相當於95%的BFE含量。

COVID-2019防護和口罩的消毒重複使用

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2016年NIOSH N95日的一份報告,它們不是防止次微米顆粒空氣傳播病毒的理想硬體,因為它們對次微米的FE不高,而且由於缺乏邊緣密封,它們有50%的洩漏。在這種情況下,建議使用N95來防護懸浮的次微米病毒,防止它們穿透防病毒口罩體和邊緣洩漏。然而,病毒總是和一個比病毒本身更大的宿主載體在一起。而載體可以是懸浮的次微米級的液滴/微粒。

據報導,COVID-2019在60攝氏度下不能存活30分鐘。因此,如果口罩介質製作和材料選擇正確,在70℃高溫空氣中消毒30分鐘,多次重複處理以多次重複使用是安全的。但要注意口罩在烘箱內的熱空氣中懸掛時不要接觸或太靠近金屬片。

事實是,假冒的口罩可能沒有選擇正確的材料或沒有正確加電,或甚至可能根本沒有加電。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後,它表現出快速的電荷衰減。在後一種情況下,介質從一開始就完全沒有具備所必要的效率。

標有NIOSH N95濾效的口罩,會有TC號碼,由NIOSH監督和審查;標有F2100 的醫用口罩,濾效由FDA監督和審查。若只標N95口罩,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的表面張力能為35 dyn/cm,是一種疏水性材料,遠低於室溫水的表面張力71.2 dyn/cm。酒精與PP相比具有較低的表面張力,20 dyn/cm。酒精將會滲透到PP MB織物從而消除電荷。所以口罩不能用酒精消毒,因為這些電荷會被液體酒精或蒸氣酒精清除。酒精消除電荷的測試標準包括ASHRAE 52.2 Appendix G, EN 776, 和 EN 16890。

放射性如伽瑪射線等常用於材料的滅菌處理,但不適合於由SB和MB PP材料製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。

 

後記

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

 

英文版原文作者Peter Tsai:

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,三次榮獲田大最桀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/

中文譯者: 嚴玉蓉博士,華南理工大學材料工程教授

臺灣區不織布工業同業公會整理2020/02/14

 

檔案下載: 20200214武漢肺炎病毒防護和口罩消毒重複使用.pdf

我們的會員

廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo
廠商Logo