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
最后更新：2020-04-24 12:12:38 手机定位技术交流文章
由于科学家的严格性，蔡(读Y)在接受DeepTech采访时做的第一件事就是澄清关于他的错误信息。
“我不是N95口罩之父，”他说，“准确地说，我没有发明N95口罩，而是发明了给N95口罩的过滤层增加静电的技术。”
正是这项技术决定了人类和病毒之间更强的屏障。就像这种流行病一样，新的冠状病毒可以通过薄口罩一个接一个地被阻断。
蔡没有想到的是，他30年前发明的N95口罩，将在2020年春天非典过后，再次帮助成千上万的人避免病毒的肆虐。
照片:蔡(来源:)
蔡于1974年毕业于台北科技大学，获纺织化纤学士学位。工作一段时间后，他去美国深造。1990年，他获得了田纳西大学的材料科学、结构和电子工程博士学位。
回忆起他的N95口罩的来历，蔡把时间追溯到1992年。
届时，美国职业安全与健康标准(OSHA)将于1995年引入法规，定义了一种新型的能够过滤亚微米颗粒且过滤效率不低于95%的面罩规格。也就是说，我们的N95现在要求工人在尘土飞扬的环境中工作时佩戴符合新标准的口罩。
新标准的消息是由美国的面膜公司得知的。但当时，企业不知道如何达到这样的过滤效果。
照片1 1922年外科医生戴的面具(来源:国会图书馆)
因此，这些公司开始联系大学和研究机构的研究团队，寻求能够满足N95标准并在短期内实现产业化的技术。蔡和他在田纳西州的团队之前一直在研究和积累过滤技术，所以他们出现在他们的联系名单上。
经过团队和面膜公司的探索，发现蔡发明的方法确实可以达到N95的标准。因此，蔡的团队将专利授予了该公司，直到那时我们才看到了现在的N95口罩。
与医用外科口罩相似，N95口罩也有三层结构:表面防潮层、中间过滤吸附层和内部皮肤粘附层。蔡的技术发明体现在中间过滤吸附层，这是一个设计，考虑到保护性质的面具和排气舒适性。
他的发明是对熔喷纤维(中间层)进行严格的技术处理。普遍的解释是让纤维携带大量的静电电荷，通过静电吸附来捕获细小的颗粒，从而起到过滤和保护的作用。
在第一次世界大战和第二次世界大战中，科学家发明了空气体过滤防毒面具，它几乎覆盖了一个人的整个头部，以实现清洁空气体供应。早期带有玻璃纤维过滤器的类似面罩的产品主要用于采矿业，以预防肺部疾病，而不是医疗环境。毕竟，当时的医学知识并不完善，更不用说成熟的专业医疗防护产品了(来源:维基)
两项关键技术是熔喷布材料和静电充电技术。
熔喷布是一种以聚丙烯为主要原料的过滤材料。它由直径约为2μm的超细聚丙烯纤维通过熔喷工艺制成(高分子熔体通过高速高温气流吹制和冷凝形成纤维网，然后自身粘合和增强)。这些具有独特毛细结构的超细纤维增加了单位面积纤维的数量和表面积，使熔喷布具有良好的过滤性、屏蔽性、隔热性和吸油性，可用于空气体、液体过滤材料、隔离材料、吸收材料、口罩材料、隔热材料、抹布等领域。N95口罩使用的熔喷布比无纺布更近一步。其纤维直径可达5微米，使熔喷布具有良好的过滤性、屏蔽性、隔热性和吸油性。
然而，如果微米颗粒的过滤效率不低于95%(新的冠状病毒只有0.00.12微米)，仅熔喷布是不够的。
图片中的黄色颗粒是新的冠状病毒(来源:国家卫生研究院)
蔡由此开创了熔喷布静电充电技术，解决了这一问题:类似于用塑料棒摩擦头发产生的静电，熔喷布静电充电不仅可以过滤带有病毒的液滴，还可以吸附漂浮在直径较小的空气体中的带有病毒的气溶胶。通过他的创新，带电熔喷布与传统的不带电织物相比，可以将0+气体中颗粒的过滤效率提高10到20倍，而不会增加0+气体的阻力。
随着第一个符合N95标准的口罩的诞生，该产品首次在工业场景中广泛使用。
直到20世纪90年代，随着耐药结核病的增加，防护口罩的需求才集中在临床医疗环境上。为了防止其空气体的扩散，N95标准已经专门针对医疗机构进行了推广。医生在帮助肺结核病人时开始戴上它们。后来，随着医疗保护成为行业共识，世界卫生组织(世卫组织)也推荐使用N95口罩来预防非典、禽流感、猪流感和其他空气传播疾病。
(来源:3M)
在国内，许多人开始了解N95，它应该起源于2003年的非典。
在非典时期，N95口罩开始在国内医院广泛使用。尽管N95在新一轮皇冠流感流行期间没有被强调为首选，但一些媒体报道了世界卫生组织对N95口罩的推荐。
在这种新的流行病蔓延到世界各地之前，N95口罩在世界各地的许多国家和医院、医生和护士以及不同群体之间传播，成为全球命运共同体的具体体现，使更多的人关注他的工作。
但事实上，蔡对的长期研究并不仅限于面具材料。
简而言之，他研究的是如何更好地过滤。除了口罩，汽车上还使用过滤技术，空空调，空空气净化器。到目前为止，在他获得的12项专利中，有2项与面具直接相关。
“现在很多人来问我相关的问题，包括我们学校和N95科普网站，家人和朋友等。由美国大学的学生组织。我能做的是做一些科普来消除人们的疑虑。然后尝试帮助企业解决问题。“我现在的感觉是我太忙了，”他说，“我平时做的这些事情都很普通”。
去年12月，田纳西大学授予蔡谢冰“创新名人堂奖”(资料来源:)，表彰他数十年的创新能力，开发过滤技术保护全球10多亿人的健康。
以下是主要采访内容:
DeepTech:关于“N95之父”的头衔，你想澄清什么？
蔡:我在2018年有一个关于静电充电技术的新发明，它使用不同的方法将静电应用到材料上。1992年，增加静电的效果是不增加静电的10倍。2018年，增加静电的效果是不增加静电的20倍。这引起了世界各地许多企业的注意。因此，他们打算来我们学校讨论技术转让。
这些报道还提到了我在1992年发明的面具。当时，美国的口罩是在1995年实施新标准，所以一些企业想验证我的发明是否能满足新标准。结果表明，我们的熔喷+静电技术能够满足N95标准，因此企业提出向学校转让技术。
新皇冠病毒爆发后，一些媒体转向这些文章，经过国内翻译，错误地声称我是N95口罩的发明者，但事实上我不是。
N95是一个面具规格，而不是一个发明。目前，美国共有9种滤尘口罩。N95就是其中之一。它们都是由带静电的材料制成的，但是样式不同。
因此，需要澄清的是，我只是N95掩模中过滤层的静电充电技术的发明者，而不是N95掩模的发明者。
除了N95，口罩还有其他标准，如N99等。它们具有较高的防护等级，但透气性相对较差。用于预防新冠状病毒的N95口罩已经能够满足防护要求。使用较高的防护等级将导致较差的透气性和使用体验。因此，N95仍然是许多官员推荐的选择。
在采访中，蔡将不时拿起N95口罩进行解释(资料来源:DeepTech)
你在1992年提到的发明是如何诞生的？
蔡:20世纪80年代，我加入田纳西大学的团队，致力于熔喷技术的改进。
那时，熔喷技术已经可以生产微纤维材料，也可以用于医疗保护，如制作外科手术服。
然后我们开始探索是否可以将静电应用到微纤维材料上。直到1992年，当我们开发一项新技术时，我们可以将材料的保护水平提高7倍。经过持续改进，我们将防护等级提高到10倍。
这是我们学校熔喷工艺的研发和静电充电技术的发明。此外，静电充电技术不仅用于熔喷超细纤维布，还可用于其他薄膜、无纺布等。以达到不同的目的。面具只是其中之一。其他用途，如汽车过滤器、家用过滤器、气体净化器、真空吸尘器等。在我的发明中，面具实际上并不是占据最大市场的产品，而且这些技术中的许多在最近几年也已经被使用，例如空气体净化器。
(资料来源:tennessee.edu)
DeepTech:在1992年你的发明之后，你在2018年取得了新的进步。后者是什么？
蔡:2018年，我们发明了一种新的静电充电方法，它利用了摩擦电原理。然而，与普通的摩擦电不同，普通摩擦产生的静电荷在材料表面，当它遇到水时就消失了。我们的技术意识到电荷存在于材料中，并且材料是疏水性的，所以电荷在遇到水时不会消失。在我们的实验中，在水和蒸汽中浸泡后，电荷不会消失。
在1992年和2018年的技术中，材料的电荷在暴露于水时不会消失。
我们新设计的材料被注入正负电荷。这两种电荷在材料的两侧分开，在正负电荷之间会产生微小的电极。当中性粒子穿过材料时，粒子将极化，因此即使中性粒子也能被材料吸收。这项工作目前还在申请新的专利，目前仍在审查中。目前，我收到的2018年对这项发明感兴趣的公司中，大约有一半来自中国。
2018年，新的静电充电技术已经非常成熟并正在应用，拥有近10条生产线。最广泛使用的是车厢过滤器，空空气净化器，独立空调过滤器等。
深度科技:流行病对你有什么影响？
蔡:在疫情爆发前，我的主要工作除了学术研究之外，还包括去工厂建立生产线，因为涉及到技术改造。
在了解了中国的疫情之后，我经常在网上阅读最新的情况。我认为，根据国内经验，其他国家会像他们在媒体上所说的那样做好充分准备，但事实并非如此。
现在政府建议我们呆在家里，所以我暂时没有办法去实验室，基本上在家工作。
因为我一直在做熔喷和静电相关的工作，因为现在口罩材料供不应求，很多企业都联系我，希望把他们的产品变成熔喷和静电布料。现在我的主要工作是尽可能地帮助他们。此外，我最近接受了许多国内外媒体的采访。
事实上，平时我是一个比较低调的人，但是在这个特殊的时候，我需要做一些信息修正的工作，包括在我们学校的官方网站上写一篇关于N95面具的科普文章，为一个叫N95DCON的公益网站提供专业信息等等。许多朋友和亲戚也会向我寻求建议，我每天花很多时间回答相关的问题。
我现在的感觉是我不太忙。我学习的这些东西很普通。现在很多人来问我相关的问题。我能做的是做一些流行科学并回答人们的疑问。然后尝试帮助企业解决问题。
图片:田纳西大学发表的N95科普文章(来源:Tennessee)
附件:蔡希望提醒您几个N95使用知识
目前，在缺乏明确的治疗药物的情况下，N95口罩仍然是对抗新型冠状病毒的最佳防护武器。
为此，我们还整理了蔡在采访中的心得和他在田纳西大学官方网站上发表的N95科普文章的要点，希望能为您的生活和健康提供更多有价值的参考。
1.N95口罩是通过吸附过滤的，不管“N95纤维空缝隙太大，过滤不了病毒”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来实现的，而不是通过纤维之间的微孔。我们使用的熔喷静电布材料的纤维孔尺寸约为20-30微米，但它能吸附的颗粒为0.1微米。
2.关于N95口罩的消毒和再利用，已经进行了一些相关的研究，并得出了一些结论。
自从新的皇冠流行病爆发以来，口罩一直供不应求，在这些口罩的消毒性能和重复使用方面存在许多问题。用高能辐射(如伽马射线)灭菌可能会分解聚丙烯材料，而使用酒精会消除电荷。最好的方法是在相对较高的温度(例如70℃)下，将面罩暴露在热空气体中30分钟。然而，面罩应该悬挂在空的气体中，而不是接触或接近金属表面。因为金属温度远高于比热空气体温度，它将导致电荷衰减，甚至损坏掩模材料。摘下面罩时，请抓住非呼吸区域的边缘，不要触摸面罩内部。
我们的研究表明，沸水杀菌3分钟对驻极体的电荷损失没有明显的影响。然而，为了避免对面罩的物理损伤，不建议搅拌。请注意，确保面罩的内层和外层由无纺布制成非常重要。
用酒精处理N95面膜会使电荷消失。然而，70℃的处理不会使电荷消失，即不会显著降低掩模的过滤效率。这些方法可以消除新的冠状病毒，并已得到初步验证。
包括医学杂志、电视和国内媒体在内的许多材料报道，冠状病毒可以通过在575℃下热处理30分钟而被杀死。然而，这些实验是用非典型肺炎冠状病毒、多囊卵巢综合征冠状病毒和/或H1N1代替非典型肺炎冠状病毒-2(引起COVID-19的新型冠状病毒)进行的。初步验证了热灭菌法杀灭SARS-CoV-2的数据。
图N95和医用口罩在70℃热处理24小时后过滤效率的比较
最近，美国国家卫生研究院发现了三种可以使N95口罩在有限时间内重复使用的消毒方法，即过氧化氢(VHP)、70摄氏度的干热和紫外线处理。结果已经公布在预印的网站上。这些研究论文还没有经过同行评估，但是正在被共享以帮助公共卫生部门应对新的冠状病毒。对此感兴趣的读者，请参考https://www . NIH . gov/news-events/news-releases/NIH-study-validates-de contact-methods-re-use-N9呼吸器，了解N95口罩消毒方法的更多数据。https://www.n95decon.org/。
图1国家卫生研究院对N95口罩消毒的研究(来源:国家卫生研究院)
3.医用口罩与N95口罩的区别
医用口罩可以有效地阻挡鼻和口中的喷雾，尤其是在说话、打喷嚏和咳嗽时。然而，由于医用口罩的亚微米过滤效率不高，且边缘密封不严，因此这些口罩不是预防亚微米粒径空空气传播疾病的理想设备。在这种情况下，建议使用N95口罩，可以防止悬浮的亚微米病毒穿透口罩或从边缘进入。新冠状病毒的大小为0.08—0.12米，与用于测量过滤效率的氯化钠气溶胶颗粒大小相同，但它需要通过比病毒大得多的悬浮亚微米液滴/颗粒传播。
4.用酒精对面罩进行消毒可以去除面罩上的电荷
聚丙烯是一种疏水性材料，其表面张力维值为35达因/厘米，远低于71.2达因/厘米的室温水表面张力。酒精的表面张力维值是20达因/厘米。由于酒精的表面张力低于聚丙烯，酒精会渗入聚丙烯织物并带走电荷。因此，面罩不能用酒精消毒，因为电荷会被液体或蒸汽酒精擦除。
表1。用酒精和肥皂/水处理后过滤效率的测定。
5.透过面罩呼吸不会降低面罩的过滤效率。
我们的研究表明，人体呼出的蒸汽覆盖驻极体纤维，不会导致N95口罩过滤效率下降。戴上口罩8小时，干燥24小时，在70℃热处理30分钟，并没有降低其效率。
6.蒸汽和沸水可以用来处理面膜。
我们的研究表明，125℃蒸汽灭菌3分钟对驻极体电荷损失影响不大。请注意，重要的是要确保面罩的内层或外层也是由无纺布制成的。纸浆被一种水溶性粘合剂粘合，这种粘合剂要么溶解在水中，导致面纱中的纤维松散，要么在暴露于水时强度降低。
注:以上实验均在沸水中进行，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，这可能会影响其密封性。到目前为止，我们还没有发现在70℃热处理30分钟会影响舒适度。
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