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