“N95 濾材之父”蔡秉燚：三十年前的兩大創(chuàng)新，如何保護無數(shù)人

●黃珊

蔡秉燚

出于科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)，蔡秉燚在接受采訪時，第一件事就是澄清坊間關(guān)于他的誤傳。“我不是N95口罩之父。”“準(zhǔn)確來說，我沒有發(fā)明N95口罩，而是發(fā)明了N95口罩過濾層加靜電的技術(shù)?！彼绱苏f道。

正是該技術(shù)，決定著人類和病毒之間多了一層更堅固的屏障，就像這次疫情之中，新冠病毒能夠被一個個薄薄的口罩所阻擋。讓蔡秉燚沒有想到的是，他30年前的技術(shù)發(fā)明所成就的N95口罩，在非典之后，會再次于2020年春天的這場災(zāi)難中幫助萬千人免于病毒之肆虐。

蔡秉燚1974年畢業(yè)于臺北科技大學(xué)，獲紡織化學(xué)纖維專業(yè)學(xué)士，工作一段時間后赴美深造，1990年在美國田納西大學(xué)獲材料科學(xué)結(jié)構(gòu)與電子工程博士學(xué)位?；貞浧鹱约号cN95口罩的淵源，蔡秉燚將時間撥回到1992年。當(dāng)時，美國職業(yè)安全與健康標(biāo)準(zhǔn)（OSHA）將在1995年推出規(guī)定，定義了一種能夠?qū)單⒚最w粒的過濾效率不小于95%的新型口罩規(guī)格，即我們現(xiàn)在的 N95，工人必須在塵土飛揚的環(huán)境中工作時佩戴符合新標(biāo)準(zhǔn)的口罩。

1922年的外科醫(yī)生佩戴的口罩

新標(biāo)準(zhǔn)推出的消息被美國的口罩企業(yè)獲知。但彼時，企業(yè)們并不知道如何達到這樣的過濾效果。于是，這些公司開始聯(lián)絡(luò)大學(xué)、研究機構(gòu)中的科研團隊，以尋求能夠達到N95標(biāo)準(zhǔn)、且可以在短期內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。蔡秉燚和他在田納西的團隊此前一直在進行過濾技術(shù)的研究且有所積累，因此出現(xiàn)在他們的聯(lián)絡(luò)名單中。

第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)中，科學(xué)家發(fā)明了空氣過濾式防毒面具，該面具幾乎覆蓋人的整個頭部才能實現(xiàn)清潔的空氣供應(yīng)。早期裝有玻璃纖維過濾器的類似口罩的產(chǎn)品主要在采礦業(yè)中用于預(yù)防肺部疾病，而非針對醫(yī)療場景，畢竟當(dāng)時醫(yī)學(xué)的認(rèn)知還不完善，更別提成熟的醫(yī)療專用防護品

正確佩戴N95口罩可防止感染新冠病毒

黃色顆粒狀為新冠病毒

經(jīng)過團隊與口罩公司的探索，發(fā)現(xiàn)由蔡秉燚發(fā)明的方法確實可以達到 N95的標(biāo)準(zhǔn)，由此，蔡秉燚團隊將專利授權(quán)至公司，才有了現(xiàn)在我們看到的N95口罩。與醫(yī)用外科口罩類似，N95口罩同樣有 3層結(jié)構(gòu)：表層抗?jié)駥?、中間過濾吸附層以及內(nèi)層貼膚層。蔡秉燚的技術(shù)發(fā)明就體現(xiàn)在中間的過濾吸附層，這是一種同時兼顧了口罩防護性和排氣舒適性的設(shè)計。他所做的發(fā)明，學(xué)術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)說法是對熔噴布（melt blown fibers，中間層）的駐極處理。通俗地解釋，就是讓纖維里面帶上大量靜電電荷，借助靜電吸附作用來捕捉細(xì)微顆粒物，從而起到過濾防護作用。

其中的兩個關(guān)鍵技術(shù)點分別在于熔噴布材料以及加靜電技術(shù)。熔噴布是一種以聚丙烯為主要原料的過濾材料，由直徑約2μ m的超細(xì)聚丙烯纖維經(jīng)熔噴工藝（將高聚物熔體通過高速高溫氣流噴吹凝聚形成纖網(wǎng)，再經(jīng)自身粘合加固）制成。這些具有獨特的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維增加單位面積纖維的數(shù)量和表面積，從而使熔噴布具有很好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性，可用于空氣、液體過濾材料、隔離材料、吸納材料、口罩材料、保暖材料及擦拭布等領(lǐng)域。N95口罩中使用的熔噴布比無紡布更近了一大步，其纖維直徑可以達到1微米～5微米，使熔噴布具有很好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性。

但如果要達到對微米顆粒的過濾效率不小于 95%（新冠病毒只有 0.08微米～0.12微米），僅僅熔噴布還不夠。蔡秉燚由此開創(chuàng)熔噴布加靜電技術(shù)，解決了這個問題：類似于用塑料棒摩擦毛發(fā)后產(chǎn)生的靜電可以吸附細(xì)紙屑，加了靜電的熔噴布不僅可以過濾帶有病毒的飛沫，還可以吸附直徑更小的漂浮在空氣里帶有病毒的氣溶膠。通過他的創(chuàng)新，帶電的熔噴布可以比傳統(tǒng)的不帶電織物對空氣中顆粒的過濾效率提高10倍～20倍，而不會增加空氣阻力。

隨著第一批滿足N95標(biāo)準(zhǔn)的口罩誕生，這種產(chǎn)品首先在工業(yè)場景中得到大量應(yīng)用。直到20世紀(jì)90年代隨著耐藥性結(jié)核病的興起，對防護口罩的需求才聚焦到了臨床醫(yī)療環(huán)境。為了阻止其空氣傳播，N95標(biāo)準(zhǔn)專門針對醫(yī)療機構(gòu)進行了普及推廣，醫(yī)生在幫助結(jié)核病患者時開始佩戴它們。再到后來，隨著醫(yī)療防護成為行業(yè)共識，N95口罩也被世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦用于防止非典、禽流感、豬流感和其他空氣傳播疾病。

具體到國內(nèi)，不少民眾開始對N95有所認(rèn)知，應(yīng)是源于2003年的非典。在非典期間中，N95口罩開始較多地被中國國內(nèi)醫(yī)院所采用。盡管不像在此次新冠疫情期間這么強調(diào)N95作為首選，但當(dāng)時也有個別媒體報道了世衛(wèi)組織推薦N95規(guī)格口罩的觀點。直到這次蔓延全世界的新冠肺炎疫情，一個個N95口罩在全世界這么多國家、醫(yī)院里，在醫(yī)生護士們之間，在不同群體之間傳遞，成為全球命運共同體的一個具象，讓更多人注意到了他所做的工作。

但實際上，蔡秉燚長久以來所進行的研究并不局限于口罩材料。簡單地說，他研究的是如何更好地進行過濾，除了口罩之外還有包括用在汽車、空調(diào)、空氣凈化器里的過濾技術(shù)。在他目前所獲的12項專利中，與口罩直接相關(guān)專利是2項?！艾F(xiàn)在有很多人來問我相關(guān)問題，包括我們學(xué)校和一家由美國高校學(xué)生組建的N95科普網(wǎng)站、家人朋友等等。我能做的是做一些科普，解除大家的疑慮。然后盡量幫助企業(yè)解決問題。我現(xiàn)在的感覺是忙不過來?！彼f，“平常時我做的這些東西是很平凡的”。

以下是主要專訪內(nèi)容：

關(guān)于“N95之父”的稱謂您想澄清什么？

蔡秉燚：我在2018年的時候有過一項新的加靜電技術(shù)相關(guān)的發(fā)明，是用和之前不同的方法給材料加靜電。1992年的技術(shù)是加靜電后的效果是沒加靜電的10倍，2018年的技術(shù)是加靜電后的效果是沒加靜電的20倍，這引起了全球很多企業(yè)的關(guān)注，因此他們有意來我們學(xué)校接洽做技術(shù)轉(zhuǎn)移。

這些報道中也提到了我在1992年的口罩發(fā)明。當(dāng)時美國口罩要在1995年實施新的標(biāo)準(zhǔn)，于是有企業(yè)想驗證我的發(fā)明能否符合新的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果證明我們的“熔噴+靜電技術(shù)”可以滿足N95標(biāo)準(zhǔn)，于是企業(yè)就向?qū)W校提出技術(shù)轉(zhuǎn)移。

新冠病毒疫情發(fā)生之后，有媒體翻到這些文章，經(jīng)過國內(nèi)翻譯之后就誤傳為我是N95口罩的發(fā)明人，其實不是。N95是口罩的一種規(guī)格，并不是一種發(fā)明?，F(xiàn)在在美國過濾微塵口罩總共有9種，N95是其中的一種，它們都是采用加靜電材料制成的，只是款式種類不同。所以，需要澄清的是，我只是 N95口罩中過濾層加靜電技術(shù)的發(fā)明人，并不是N95口罩的發(fā)明人。

去年12月，田納西大學(xué)為表彰蔡秉燚憑借數(shù)十年來的創(chuàng)新能力，開發(fā)了保護全球超過10億人健康的過濾技術(shù)，為他授予“Innovator Hall of Fame Award”創(chuàng)新名人堂獎

口罩除了N95之外還有其他標(biāo)準(zhǔn)，比如N99等，它的防護等級更高，但是透氣性就相對較差。預(yù)防新冠病毒N95口罩已經(jīng)可以滿足防護需求，使用更高的防護等級反而透氣性不好，使用體驗不好。因此N95仍是很多官方會推薦的選擇。

您提到的1992年的發(fā)明是如何誕生的？

蔡秉燚：20世紀(jì)80年代我加入到田納西大學(xué)團隊，進行的是熔噴技術(shù)改良方面的工作。當(dāng)時熔噴工藝已經(jīng)可以制作超細(xì)纖維材料，而且可以面向醫(yī)療防護，例如制作手術(shù)服等。

接著我們開始探索能不能給超細(xì)纖維材料加靜電，直到1992年研發(fā)出了新的技術(shù)，當(dāng)時就可以將材料的防護等級提升了6倍～7倍，之后經(jīng)過不斷改良，我們將防護等級提高到了10倍。這就是我們學(xué)校熔噴制程研發(fā)和加靜電技術(shù)發(fā)明的過程。而且，加靜電技術(shù)并不是只能用于熔噴的超細(xì)纖維布，它也可以用于其他薄膜、無紡布等，實現(xiàn)不同的用途，口罩只是其中一個用途。其他用途比如汽車的過濾網(wǎng)、家庭空氣凈化器中過濾網(wǎng)、吸塵器等?？谡制鋵嵅凰闶俏业陌l(fā)明中占據(jù)最多市場的產(chǎn)品，最近幾年空氣凈化器等也用到很多這些技術(shù)。

您在1992年的發(fā)明之后，又在2018年實現(xiàn)了新的改進，后者具體是什么？

蔡秉燚：2018年，我們發(fā)明了新的加靜電方式，利用的是摩擦生電原理，但是與一般的摩擦生電不同的是，普通摩擦產(chǎn)生的靜電電荷是在材料的表面，遇水電荷就會消失，而我們的技術(shù)實現(xiàn)的是，電荷處于材料之中，而且材料也是疏水材料，因此遇水電荷不會消失。我們實驗中用水浸泡、蒸汽處理之后，電荷都不會消失。1992年和2018年的技術(shù)，材料遇水電荷都不會消失。

在采訪中蔡秉燚會時不時拿起N95口罩配合講解

我們新設(shè)計的材料既被注入了正電荷，也有負(fù)電荷，兩種電荷分列在材料的兩邊，正負(fù)電荷之間會產(chǎn)生微小的電極，當(dāng)中性顆粒穿過材料時，顆粒會發(fā)生極化，于是可以做到連中性顆粒都能被材料吸附。這項工作目前也正在申請新的專利，專利仍在審核中。目前我接收到的對2018年發(fā)明感興趣的公司，大概有一半來自中國。2018年新的加靜電技術(shù)已經(jīng)很成熟，并正在應(yīng)用了，已經(jīng)差不多有10條生產(chǎn)線。用的最廣泛的是汽車車廂過濾網(wǎng)、空氣凈化器、獨立冷氣機的過濾網(wǎng)等。

疫情對您產(chǎn)生的影響是？

蔡秉燚：疫情之前，因為涉及技術(shù)轉(zhuǎn)化，我的主要工作除了學(xué)術(shù)研究以外還包括去工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)線的搭建。在得知中國國內(nèi)疫情之后，我經(jīng)常會上網(wǎng)閱讀最新的狀態(tài)。我以為有國內(nèi)經(jīng)驗，其他國家會如同他們在媒體上所說的，做了很充足的準(zhǔn)備，但事實來看并非如此。

現(xiàn)在政府建議我們待在家里，所以我暫時沒有辦法去實驗室，基本上就是在家辦公。因為我一直在做熔噴和靜電相關(guān)的工作，由于現(xiàn)在口罩材料緊缺，也有很多企業(yè)聯(lián)系我，希望將自己的產(chǎn)品改造成熔噴加靜電布材料，現(xiàn)在我的主要工作就是盡量協(xié)助他們。另外，最近也有很多國內(nèi)外的媒體采訪我。

其實平時我是比較低調(diào)的人，但是在這個特殊的時候，我需要做一些糾正信息的工作，包括在我們學(xué)校的官網(wǎng)專門撰寫了關(guān)于N95口罩的科普文章、為一家名為N95DCON的公益網(wǎng)站提供專業(yè)信息等等。很多朋友和親人也會向我咨詢，我每天都要花很多時間作相關(guān)解答。我現(xiàn)在的感覺是忙不過來，平常我研究的這些東西是很平凡的，現(xiàn)在有很多人來問我相關(guān)問題，我能做的是做一些科普，解答大家的疑慮。然后盡量幫助企業(yè)解決問題。

目前，在尚無確切治療藥物的情況下，面對新冠病毒的最佳防護武器仍然是N95口罩。因此，我們也綜合整理了采訪中蔡秉燚提示的內(nèi)容，以及他在田納西大學(xué)官網(wǎng)發(fā)布的N95科普文章要點，希望能夠為各位的生活健康提供更多有價值的參考。

1.N95口罩通過吸附實現(xiàn)過濾，無需搭理稱“N95纖維空隙過大無法過濾病毒”的說法

N95口罩對顆粒的阻礙是通過材料纖維對顆粒的吸附實現(xiàn)的，并不是通過纖維之間的細(xì)小孔洞實現(xiàn)過濾的。我們使用的熔噴靜電布材料的纖維孔洞大小約為20微米～30微米，但是它可以吸附的顆粒為零點幾微米。

2.N95口罩的消毒重復(fù)使用已經(jīng)有了幾項相關(guān)研究，已有部分定論

自從新冠疫情出現(xiàn)以來，口罩一直非常短缺，關(guān)于這些口罩的滅菌性能和重復(fù)使用的問題也很多。使用高能輻射（例如伽馬射線）進行滅菌可能會分解聚丙烯材料，而使用酒精會擦掉電荷。最好的方法是將口罩在較高的溫度（例如70攝氏度）下暴露于熱空氣中30分鐘。但要將口罩懸掛在空氣中，而不能接觸或接近金屬表面。因為金屬溫度比熱空氣的溫度高得多，從而會導(dǎo)致電荷衰減甚至損壞口罩材料。取下口罩時，請抓住非呼吸區(qū)域的邊緣，并且不要觸摸口罩的內(nèi)部。

N95和醫(yī)用口罩在70攝氏度、24小時熱處理后的過濾效率對比

我們的研究表明，在沸水中殺菌3分鐘對駐極體的電荷損失沒有明顯的影響。但是，為了避免對口罩的物理損傷，不建議攪拌。注意，重要的是要確?？谡謨?nèi)外層是無紡布材料。用酒精處理N95口罩會讓電荷消失，但70℃溫度的處理不會讓電荷消失，即不會顯著降低口罩的過濾效率，這些做法能消除新冠病毒已經(jīng)初步得到驗證。包括醫(yī)學(xué)期刊、電視和國內(nèi)媒體在內(nèi)的許多資料均報道，在 56攝氏度～75攝氏度下進行30分鐘的熱處理可以殺死冠狀病毒。但是，這些實驗是使用SARS-CoV，MERS-CoV/H1N1，而非 SARS-CoV-2（引起COVID-19的新型冠狀病毒）完成的。使用熱滅菌殺死SARS-CoV-2的數(shù)據(jù)已經(jīng)初步得到驗證。

而在最近，美國國立衛(wèi)生研究院已找到3種可使N95口罩有限次重復(fù)利用的消毒方法，分別是過氧化氫（VHP）、70攝氏度干熱和紫外線處理，結(jié)果已公布在預(yù)印網(wǎng)站上。研究論文尚未經(jīng)歷同行評估，但正在共享以協(xié)助公共衛(wèi)生部門應(yīng)對新冠病毒。

3.醫(yī)用口罩和 N95口罩的區(qū)別

醫(yī)用口罩可以有效阻擋從鼻子和嘴里噴出的飛沫，尤其是在說話、打噴嚏和咳嗽時。但是由于醫(yī)用口罩亞微米級過濾的效率不高，而且邊緣沒有緊密密封，所以這些口罩并不是預(yù)防亞微米顆粒級空氣傳播疾病的理想設(shè)備。在這種情況下，建議使用N95口罩，它可以防止懸浮的亞微米病毒穿透口罩或從邊緣進入。新冠病毒的大小是0.08μ m～0.12μ m，這跟測量過濾效率所用的NaCl測試氣溶膠顆粒大小相似，但它需要通過比病毒大得多的懸浮亞微米液滴/微粒傳播。

4.用酒精對口罩消毒會清除掉口罩中的電荷

聚丙烯是一種疏水材料，其表面張力為35達因/厘米，遠(yuǎn)低于室溫水的表面張力71.2達因/厘米。酒精的表面張力為20達因/厘米，由于酒精的表面張力低于聚丙烯的表面張力，因此酒精會滲入聚丙烯織物并清除電荷。因此，不能用酒精對口罩進行消毒，因為電荷會被液體或蒸氣酒精擦除。

5.人通過口罩呼吸不會導(dǎo)致口罩過濾效率降低

我們的研究表明，人體呼出的蒸汽覆蓋在駐極體纖維上，不會導(dǎo)致N95口罩過濾效率降低。佩戴8小時并干燥 24小時的口罩再 70攝氏度熱處理30分鐘并沒有降低其效率。

6.可以使用蒸汽、沸水處理口罩

我們的研究表明，使用125攝氏度蒸汽滅菌3分鐘，對駐極體上的電荷損失影響不大。請注意，重要的是要確保面罩的內(nèi)部或外部面紗也是由無紡布制成的。紙漿是通過水溶性粘合劑粘合的，它們要么會溶于水，導(dǎo)致面紗中的纖維松散，要么遇水后強度會下降。（注：以上實驗均在沸水上方進行，不浸泡在沸水中。由于其材料組成和結(jié)構(gòu)，沸水會改變N95口罩的形狀，可能會影響其密合性。到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)70攝氏度熱處理30分鐘會影響舒適性。）■

用酒精和肥皂 /水處理后測定過濾效率