专访“N95滤材之父”蔡秉燚:30年前的两大创新,如何保护无数人
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专访“N95滤材之父”蔡秉燚:30年前的两大创新,如何保护无数人

2020年04月23日 14:36:21
来源:DeepTech

出于科学家的严谨,蔡秉燚(读yì)在接受 DeepTech 采访时,第一件事就是澄清坊间关于他的误传。

“我不是 N95 口罩之父”,他说, 准确来说,我没有发明 N95 口罩,而是发明了 N95 口罩过滤层加静电的技术

正是该技术,决定着人类和病毒之间多了一层更坚固的屏障,就像这次疫情之中,新冠病毒能够被一个个薄薄的口罩所阻挡。

让蔡秉燚没有想到的是,他 30 年前的技术发明所成就的 N95 口罩,在 SARS 之后,会再次于 2020 年春天的这场灾难中帮助万千人免于病毒之肆虐。

图丨 蔡秉燚(来源:tennessee.edu)

蔡秉燚1974 年毕业于台北科技大学,获纺织化学纤维专业学士,工作一段时间后赴美深造,1990 年在美国田纳西大学获材料科学结构与电子工程博士学位。

回忆起自己与 N95 口罩的渊源,蔡秉燚将时间拨回到 1992 年。

当时,美国职业安全与健康标准(OSHA)将在 1995 年推出规定,定义了一种能够对亚微米颗粒的过滤效率不小于 95%的新型口罩规格,即我们现在的 N95,工人必须在尘土飞扬的环境中工作时佩戴符合新标准的口罩。

新标准推出的消息被美国的口罩企业获知。但彼时,企业们并不知道如何达到这样的过滤效果。

图丨 1922 年的外科医生佩戴的口罩(来源:Library of Congress)

于是,这些公司开始联络大学、研究机构中的科研团队,以寻求能够达到 N95 标准、且可以在短期内实现产业化的技术蔡秉燚和 他在田纳西的团队此前一直在进行过滤技术的研究且有所积累, 因此出现在他们的联络名单中。

经过团队与口罩公司的探索,发现由蔡秉燚发明的方法确实可以达到 N95 的标准,由此,蔡秉燚团队将专利授权至公司,才有了现在我们看到的 N95 口罩。

与医用外科口罩类似,N95 口罩同样有三层结构:表层抗湿层、中间过滤吸附层以及内层贴肤层。蔡秉燚的技术发明就体现在中间的过滤吸附层,这是一种同时兼顾了口罩防护性和排气舒适性的设计。

他所做的发明,学术上的严谨说法是对熔喷布(melt blown fibers,中间层)的驻极处理。通俗地解释, 就是让纤维里面带上大量静电电荷 ,借助静电吸附作用来捕捉细微颗粒物,从而起到过滤防护作用。

图丨第一次世界大战和第二次世界大战中,科学家发明了空气过滤式防毒面具,该面具几乎覆盖人的整个头部才能实现清洁的空气供应。早期装有玻璃纤维过滤器的类似口罩的产品主要在采矿业中用于预防肺部疾病,而非针对医疗场景,毕竟当时医学的认知还不完善,更别提成熟的医疗专用防护品(来源:WIKI)

其中的两个关键技术点分别在于 熔喷布材料以及加静电技术

熔喷布是一种以聚丙烯为主要原料的过滤材料,由直径约 2μm 的超细聚丙烯纤维经熔喷工艺(将高聚物熔体通过高速高温气流喷吹凝聚形成纤网,再经自身粘合加固)制成。这些具有独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积,从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性,可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料及擦拭布等领域。N95 口罩中使用的熔喷布比无纺布更近了一大步,其纤维直径可以达到 1~5 微米,使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。

但如果要达到对微米颗粒的过滤效率不小于 95%(新冠病毒只有 0.08-0.12 微米),仅仅熔喷布还不够。

图丨黄色颗粒状为新冠病毒(来源:NIH)

蔡秉燚由 此开创熔喷布加静电技术,解决了这个问题 :类似于用塑料棒摩擦毛发后产生的静电可以吸附细纸屑,加了静电的熔喷布不仅可以过滤带有病毒的飞沫,还可以吸附直径更小的漂浮在空气里带有病毒的气溶胶。通过他的创新,带电的熔喷布可以比传统的不带电织物对空气中颗粒的过滤效率提高十至二十倍,而不会增加空气阻力。

随着第一批满足 N95 标准的口罩诞生,这种产品首先在工业场景中得到大量应用。

直到 1990 年代随着耐药性结核病的兴起,对防护口罩的需求才聚焦到了临床医疗环境。为了阻止其空气传播,N95 标准专门针对医疗机构进行了普及推广,医生在帮助结核病患者时开始佩戴它们。再到后来,随着医疗防护成为行业共识,N95 口罩也被世界卫生组织(WHO)推荐用于防止 SARS、禽流感、猪流感和其他空气传播疾病。

(来源:3M)

具体到国内,不少民众开始对 N95 有所认知,应是源于 2003 年的非典。

在非典期间中,N95 口罩开始较多地被国内医院所采用。尽管不像在此次新冠疫情期间这么强调 N95 作为首选,但当时也有个别媒体报道了世卫组织推荐 N95 规格口罩的观点。

直到这次蔓延全世界的新冠疫情,一个个 N95 口罩在全世界这么多国家、医院里,在医生护士们之间,在不同群体之间传递,成为全球命运共同体的一个具象,让更多人注意到了他所做的工作。

但实际上, 蔡秉燚长久 以来所进行的研究并不局限于口罩材料。

简单地说,他研究的是如何更好地进行过滤,除了口罩之外还有包括用在汽车、空调、空气净化器里的过滤技术。在他目前所获的 12 项专利中,与口罩直接相关专利是 2 项。

“现在有很多人来问我相关问题,包括我们学校和一家由美国高校学生组建的 N95 科普网站、家人朋友等等。我能做的是做一些科普,解除大家的疑虑。然后尽量帮助企业解决问题。我现在的感觉是忙不过来”,他说,“ 平常时我做的这些东西是很平凡的 ”。

图丨去年 12 月,田纳西大学为表彰 蔡秉燚 凭借数十年来的创新能力,开发了保护全球超过 10 亿人健康的过滤技术,为他授予“Innovator Hall of Fame Award”(来源:tennessee.edu)

以下是主要专访内容:

DeepTech:关于 “N95 之父” 的称谓您想澄清什么?

蔡秉燚 我在 2018 年的时候有过一项新的加静电技术相关的发明,是用和之前不同的方法给材料加静电。1992 年的技术是加静电后的效果是没加静电的 10 倍,2018 年的技术是加静电后的效果是没加静电的 20 倍,这引起了全球很多企业的关注,因此他们有意来我们学校接洽做技术转移。

这些报道中也提到了我在 1992 年的口罩发明。当时美国口罩要在 1995 年实施新的标准,于是有企业想验证我的发明能否符合新的标准。结果证明我们的熔喷 + 静电技术可以满足 N95 标准,于是企业就向学校提出技术转移。

新冠病毒疫情发生之后,有媒体翻到这些文章,经过国内翻译之后就误传为我是 N95 口罩的发明人,其实不是。

N95 是口罩的一种规格,并不是一种发明。现在在美国过滤微尘口罩总共有 9 种,N95 是其中的一种,它们都是采用加静电材料制成的,只是款式种类不同。

所以,需要澄清的是,我只是 N95 口罩中过滤层加静电技术的发明人,并不是 N95 口罩的发明人。

口罩除了 N95 之外还有其他标准,比如 N99 等,它的防护等级更高,但是透气性就相对较差。预防新冠病毒 N95 口罩已经可以满足防护需求,使用更高的防护等级反而透气性不好,使用体验不好。因此 N95 仍是很多官方会推荐的选择。

图丨在采访中 蔡秉燚会时 不时拿起 N95 口罩配合讲解(来源:DeepTech)

DeepTech:您提到的 1992 年的发明是如何诞生的?

蔡秉燚 1980 年代我加入到田纳西大学团队,进行的是熔喷技术改良方面的工作。

当时熔喷工艺已经可以制作超细纤维材料,而且可以面向医疗防护,例如制作手术服等。

接着我们开始探索能不能给超细纤维材料加静电,直到 1992 年研发出了新的技术,当时就可以将材料的防护等级提升了 6-7 倍,之后经过不断改良,我们将防护等级提高到了 10 倍。

这就是我们学校熔喷制程研发和加静电技术发明的过程。而且,加静电技术并不是只能用于熔喷的超细纤维布,它也可以用于其他薄膜、无纺布等,实现不同的用途,口罩只是其中一个用途。其他用途比如汽车的过滤网、家庭空气净化器中过滤网、吸尘器等。口罩其实不算是我的发明中占据最多市场的产品,最近几年空气净化器等也用到很多这些技术。

(来源:tennessee.edu)

DeepTech:您在 1992 年的发明之后,又在 2018 年实现了新的改进,后者具体是什么?

蔡秉燚 2018 年,我们发明了新的加静电方式, 利用的是摩擦生电原理,但是与一般的摩擦生电不同的是,普通摩擦产生的静电电荷是在材料的表面,遇水电荷就会消失,而我们的技术实现的是,电荷处于材料之中,而且材料也是疏水材料,因此遇水电荷不会消失。 我们实验中用水浸泡、蒸汽处理之后,电荷都不会消失。

1992 年和 2018 年的技术,材料遇水电荷都不会消失。

我们新设计的材料既被注入了正电荷,也有负电荷,两种电荷分列在材料的两边,正负电荷之间会产生微小的电极,当中性颗粒穿过材料时,颗粒会发生极化,于是可以做到连中性颗粒都能被材料吸附。这项工作目前也正在申请新的专利,专利仍在审核中。目前我接收到的对 2018 年发明感兴趣的公司,大概有一半来自中国。

2018 年新的加静电技术已经很成熟,并正在应用了,已经差不多有 10 条生产线。用的最广泛的是汽车车厢过滤网、空气净化器、独立冷气机的过滤网等。

DeepTech:疫情对您产生的影响是?

蔡秉燚 疫情之前,因为涉及技术转化,我的主要工作除了学术研究以外还包括去工厂负责生产线的搭建。

在得知国内疫情之后,我经常会上网阅读最新的状态。我以为有国内经验,其他国家会如同他们在媒体上所说的,做了很充足的准备,但事实来看并非如此。

现在政府建议我们待在家里,所以我暂时没有办法去实验室,基本上就是在家办公。

因为我一直在做熔喷和静电相关的工作,由于现在口罩材料紧缺,也有很多企业联系我,希望将自己的产品改造成熔喷加静电布材料,现在我的主要工作就是尽量协助他们。另外,最近也有很多国内外的媒体采访我。

其实平时我是比较低调的人,但是在这个特殊的时候,我需要做一些纠正信息的工作,包括在我们学校的官网专门撰写了关于 N95 口罩的科普文章、为一家名为 N95DCON 的公益网站提供专业信息等等。很多朋友和亲人也会向我咨询,我每天都要花很多时间作相关解答。

我现在的感觉是忙不过来,平常我研究的这些东西是很平凡的,现在有很多人来问我相关问题,我能做的是做一些科普,解答大家的疑虑。然后尽量帮助企业解决问题。

图丨田纳西大学专门刊登的 N95 科普文章(来源:tennessee.edu)

附: 蔡秉燚希望提醒你的几个 N95使用知识

目前,在尚无确切治疗药物的情况下,面对新冠病毒的最佳防护武器仍然是 N95 口罩。

因此,我们也综合整理了采访中蔡秉燚提示的内容,以及他在田纳西大学官网发布的 N95 科普文章要点,希望能够为各位的生活健康提供更多有价值的参考。

1、N95 口罩通过吸附实现过滤,无需搭理称 “N95 纤维空隙过大无法过滤病毒” 的说法

N95 口罩对颗粒的阻碍是通过材料纤维对颗粒的吸附实现的,并不是通过纤维之间的细小孔洞实现过滤的。我们使用的熔喷静电布材料的纤维孔洞大小约为 20-30 微米,但是它可以吸附的颗粒为零点几微米。

2、N95 口罩的消毒重复使用已经有了几项相关研究,已有部分定论

自从新冠疫情出现以来,口罩一直非常短缺,关于这些口罩的灭菌性能和重复使用的问题也很多。使用高能辐射(例如伽马射线)进行灭菌可能会分解聚丙烯材料,而使用酒精会擦掉电荷。最好的方法是将口罩在较高的温度(例如 70℃)下暴露于热空气中 30 分钟。但要将口罩悬挂在空气中,而不能接触或接近金属表面。因为金属温度比热空气的温度高得多,从而会导致电荷衰减甚至损坏口罩材料。取下口罩时,请抓住非呼吸区域的边缘,并且不要触摸口罩的内部。

我们的研究表明,在沸水中杀菌 3 分钟对驻极体的电荷损失没有明显的影响。但是,为了避免对口罩的物理损伤,不建议搅拌。注意,重要的是要确保口罩内外层是无纺布材料。

用酒精处理 N95 口罩会让电荷消失。 但 70℃ 的处理不会让电荷消失,即不会显著降低口罩的过滤效率,这些做法能消除新冠病毒已经初步得到验证。

包括医学期刊、电视和国内媒体在内的许多资料均报道,在 56–75°C 下进行 30 分钟的热处理可以杀死冠状病毒。但是,这些实验是使用 SARS-CoV,MERS-CoV 和 / 或 H1N1,而非 SARS-CoV-2(引起 COVID-19 的新型冠状病毒)完成的。使用热灭菌杀死 SARS-CoV-2 的数据已经初步得到验证。

图丨 N95 和医用口罩在 70℃、24 小时热处理后的过滤效率对比

而在最近,美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)已找到 3 种可使 N95 口罩有限次重复利用的消毒方法,分别是过氧化氢(VHP)、70 摄氏度干热和紫外线处理,结果已公布在预印网站上。研究论文尚未经历同行评估,但正在共享以协助公共卫生部门应对新冠病毒。

图丨 NIH 关于 N95 口罩如何消毒的研究(来源:NIH)

3、医用口罩和 N95 口罩的区别

医用口罩可以有效阻挡从鼻子和嘴里喷出的飞沫,尤其是在说话、打喷嚏和咳嗽时。但是由于医用口罩亚微米级过滤的效率不高,而且边缘没有紧密密封,所以这些口罩并不是预防亚微米颗粒级空气传播疾病的理想设备。在这种情况下,建议使用 N95 口罩,它可以防止悬浮的亚微米病毒穿透口罩或从边缘进入。新冠病毒的大小是 0.08—0.12µm,这跟测量过滤效率所用的 NaCl 测试气溶胶颗粒大小雷同,但它需要通过比病毒大得多的悬浮亚微米液滴 / 微粒传播。

4、用酒精对口罩消毒会清除掉口罩中的电荷

聚丙烯是一种疏水材料,其表面张力为 35 达因 / 厘米,远低于室温水的表面张力 71.2 达因 / 厘米。酒精的表面张力为 20 达因 / 厘米,由于酒精的表面张力低于聚丙烯的表面张力,因此酒精会渗入聚丙烯织物并清除电荷。因此,不能用酒精对口罩进行消毒,因为电荷会被液体或蒸气酒精擦除。

表 1. 用酒精和肥皂 / 水处理后测定过滤效率。

5、人通过口罩呼吸不会导致口罩过滤效率降低

我们的研究表明,人体呼出的蒸汽覆盖在驻极体纤维上,不会导致 N95 口罩过滤效率降低。佩戴 8 小时并干燥 24 小时的口罩再 70℃ 热处理 30 分钟并没有降低其效率。

6、可以使用蒸汽、废水处理口罩。

我们的研究表明,使用 125°C 蒸汽灭菌三分钟,对驻极体上的电荷损失影响不大。请注意,重要的是要确保面罩的内部或外部面纱也是由无纺布制成的。纸浆是通过水溶性粘合剂粘合的,它们要么会溶于水,导致面纱中的纤维松散,要么遇水后强度会下降。

注:以上实验均在沸水上方进行,不浸泡在沸水中。由于其材料组成和结构,沸水会改变 N95 口罩的形状,可能会影响其密合性。到目前为止,我们还没有发现 70°C 热处理 30 分钟会影响舒适性。