口罩對(duì)新冠病毒的防護(hù)作用及滅菌后重復(fù)使用方法

劉延波 郝 銘 劉玲玲 劉 垚 蔡秉燚 陳志軍

1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(中國(guó))2. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院(中國(guó))3. 田納西大學(xué)(美國(guó))

新型冠狀病毒(2019-nCoV/SARS-CoV-2/COVID-19)尺寸為60～140nm，依附在飛沫、體液及氣溶膠等載體上進(jìn)行空氣傳播時(shí)，其尺寸在5 μm 以上。嚴(yán)重感染新冠病毒可導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)和敗血癥，最終導(dǎo)致白肺和多器官衰竭而死亡。新冠病毒肺炎的潛伏期通常為1～14 d，多為3～7 d。目前確定的新冠病毒的傳播方式有飛沫傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播。采取合適的措施預(yù)防新冠病毒感染至關(guān)重要。具有細(xì)顆粒物和/或細(xì)菌過濾隔阻能力的口罩可用以防御新冠病毒。但是，目前全球口罩緊缺、一罩難求或價(jià)格暴漲，為此，有必要對(duì)口罩進(jìn)行消毒后重復(fù)使用。本文介紹了口罩防護(hù)機(jī)理、各類常見口罩的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)及區(qū)別，特別說明了口罩存儲(chǔ)過程中靜電荷衰減情況及使用和重復(fù)使用口罩的可行方法，以幫助用戶正確選擇口罩，抗擊當(dāng)前仍在蔓延的新冠病毒。

1 口罩的防護(hù)機(jī)理

口罩的防護(hù)性能一般基于下述5種空氣過濾機(jī)理，如圖1所示。

圖1 空氣過濾機(jī)理

——攔截/篩濾效應(yīng)，尺寸比濾材孔徑大的顆粒通常會(huì)被直接攔截在濾材的表面；

——慣性效應(yīng)，當(dāng)顆粒質(zhì)量較大或者速度較快，在流線通過濾材的曲折孔轉(zhuǎn)彎時(shí)，微粒由于慣性來(lái)不及跟隨流線繞過纖維，因而脫離流線撞擊在纖維上而沉積下來(lái)；

——擴(kuò)散效應(yīng)，小于0.3 μm的氣溶膠顆?？梢揽坎祭蔬\(yùn)動(dòng)到達(dá)纖維表面并沉積下來(lái)；

——靜電效應(yīng)，纖維和顆粒物因各種原因可能帶上電荷，靜電吸引顆粒物，其中，采用靜電駐極技術(shù)對(duì)濾材進(jìn)行荷電處理，可使濾材帶上持久體電荷、不易失去；

——重力效應(yīng)，顧名思義，顆粒物因重力沉降而

被過濾，但對(duì)于直徑小于0.5 μm的氣溶膠顆粒，若其未沉降到纖維上便已經(jīng)通過了纖維層，其重力效應(yīng)可忽略。

2 口罩測(cè)試指標(biāo)、分類、結(jié)構(gòu)及防護(hù)性能要求

口罩的測(cè)試指標(biāo)主要包括對(duì)顆粒物過濾效率(PFE)、對(duì)顆粒物過濾阻力(ΔP)、對(duì)細(xì)菌過濾效率(BFE)和流體阻力(FR)4個(gè)指標(biāo)。

PFE：衡量醫(yī)用口罩對(duì)亞微米級(jí)顆粒的過濾效果，用于模擬材料對(duì)病毒的過濾能力。在美國(guó)，口罩的PFE遵照42 CFR Part 84[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使用流速為85 L/min(N 95防塵口罩)或 32 L/min(醫(yī)用N 95口罩)的NaCl多分散性顆粒作為測(cè)試顆粒，其數(shù)均中位直徑為0.075 μm，重均中位直徑為0.26 μm。

ΔP：對(duì)口罩進(jìn)行過濾效率測(cè)試時(shí)，由于上下表面氣流壓差導(dǎo)致的風(fēng)阻，簡(jiǎn)稱壓差/壓力降。

BFE：用以衡量醫(yī)用口罩遇到飛沫或含有細(xì)菌的氣霧時(shí)過濾細(xì)菌的能力。在美國(guó)，醫(yī)用口罩BFE的測(cè)試按照FDA 510 (k)要求進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果同時(shí)也可滿足ASTM F 2100[2-3]、ASTM F 2101[4]和EN 14683[5]的要求。測(cè)試細(xì)菌選用金黃色葡萄球菌的氣溶膠液滴，其粒徑中位平均值(MPS)為3 μm，測(cè)試速度為28.3 L/min，所得BFE最高可達(dá)99.9%，醫(yī)用級(jí)別口罩要求BFE最低為95%。

FR：反映外科口罩在遇到液體飛濺或者噴濺情況時(shí)，阻擋液體從口罩外層流向內(nèi)層的能力。使用人造血液在不同壓力下對(duì)材料外層進(jìn)行噴濺試驗(yàn)，數(shù)值越大表明阻隔能力越好。

口罩分類與其結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)，通?？谡挚煞譃?大類，即普通口罩[圖2a)和2b)]、醫(yī)用口罩[圖2c)～2f)]和防塵口罩[圖2g)和2h)]。醫(yī)用口罩又分為醫(yī)用普通口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護(hù)口罩，均要求帶鼻夾、不帶呼吸閥和活動(dòng)濾芯。

各國(guó)對(duì)于各種口罩(尤其是醫(yī)用口罩和防塵口罩)有不同的分類和管理監(jiān)督辦法。中國(guó)和美國(guó)的常用口罩分類、結(jié)構(gòu)、性能要求及其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。美國(guó)醫(yī)用外科口罩性能要求比較復(fù)雜，未列于表1。

a) 紗布口罩

b) 布口罩

c) 一次性(使用)醫(yī)用口罩

d) 醫(yī)用外科口罩

e) 醫(yī)用防護(hù)口罩

f) NIOSH N 95口罩

g) N 95防塵口罩

h) KN 95 防塵口罩

表1 各類常用口罩的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)比較

依據(jù)NIOSH 42CFR 84，美國(guó)醫(yī)用外科口罩性能須達(dá)到BFE≥95%(過濾3 μm細(xì)菌)，PFE≥95%(過濾0.24 μm顆粒物)，測(cè)試須遵照ASTM F 2100和ASTM F 210標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。按照防護(hù)隔阻水平不同，美國(guó)ASTM將醫(yī)用外科口罩分成3類，即Level 1、Level 2 和Level 3。其中，Level 1口罩可用于外科和處置工作，尤其是面對(duì)流體(血液、飛沫、體液)濺射及氣溶膠顆粒物較少的情況下[BFE≥95%，PFE≥95%；體液阻力80 mmHg(10.6 kPa)]。Level 2適用于產(chǎn)生的血液、飛沫、體液和/或氣溶膠顆粒程度為中度到輕度的情況[BFE≥95%,PFE≥98%；體液阻力120 mmHg (16.0 kPa)]。Level 3適用于產(chǎn)生的血液、飛沫、體液和/或氣溶膠顆粒程度為重度的情況[BFE≥95%，PFE≥98%；體液阻力160 mmHg (21.3 kPa)]。

3 口罩選用方法

所有口罩中，醫(yī)用N 95防護(hù)口罩的防護(hù)等級(jí)最高，可對(duì)經(jīng)空氣傳播的呼吸道傳染病進(jìn)行有效防御，濾除空氣中的亞微米級(jí)顆粒(PM 2.5)、阻擋經(jīng)空氣傳播的直徑<5 μm的大部分感染因子如細(xì)菌、病毒等病原體，阻隔飛沫、血液、體液、分泌物微滴等，兼具N 95/KN 95防塵口罩和醫(yī)用外科口罩的功能。世界衛(wèi)生組織(WHO)已經(jīng)推薦醫(yī)務(wù)人員采用防顆粒物的防護(hù)口罩來(lái)防止醫(yī)院空氣中的病毒感染，醫(yī)用N 95防護(hù)口罩也是目前新冠病毒抗疫前線醫(yī)護(hù)人員的最佳醫(yī)療防護(hù)用品。

通過對(duì)各類口罩的比較可知，針對(duì)新冠病毒，各類口罩防護(hù)性能優(yōu)劣排序如下：

美國(guó)N 95醫(yī)用防護(hù)口罩>美國(guó)K 95防塵口罩≥

中國(guó)KN 95防塵口罩≥美國(guó)醫(yī)用外科口罩>中國(guó)醫(yī)用防護(hù)口罩>中國(guó)醫(yī)用外科口罩>美國(guó)/中國(guó)普通醫(yī)用口罩>(紗)布口罩。

本文對(duì)如何選擇和使用口罩進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)說明，如圖3所示。

圖3 口罩選用方法

4 口罩的濾芯荷電技術(shù)及靜電衰減

醫(yī)用口罩和N 95口罩都含有由靜電駐極熔噴聚丙烯(PP)非織造布組成的過濾介質(zhì)/芯材/濾芯，其中N 95口罩具有兩層濾芯，醫(yī)用外科口罩有一層濾芯，因此，N 95口罩的透氣性不及醫(yī)用口罩?，F(xiàn)有醫(yī)用口罩和N 95/KN 95防護(hù)口罩一般均采用電暈放電靜電駐極技術(shù)，少部分KN 95口罩采用靜電紡納米纖維過濾技術(shù)。

目前，電暈放電是使用最多的一種靜電駐極技術(shù)，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

電暈放電過程中，金屬尖端放電產(chǎn)生的電場(chǎng)使中性空氣電離后產(chǎn)生離子和電子，非織造布纖維在電場(chǎng)作用下充電，電荷永久性嵌入纖維中形成駐極體。經(jīng)電暈放電處理后的非織造布通過靜電吸引作用提高對(duì)顆粒物的過濾效率。研究結(jié)果顯示，10層未荷電的熔噴PP非織造布的PFE可達(dá)到95%，而1層熔噴 PP非織造布荷電后，其PFE由未荷電時(shí)的25% 提高到95%，這意味著通過此荷電技術(shù)，濾材成本可降低10倍。

荷電量會(huì)隨溫度、環(huán)境濕度和時(shí)間的增加逐漸衰退，過濾效率也會(huì)相應(yīng)下降。濕度對(duì)PP駐極體的電荷衰減和使用壽命雖有一定影響，但只限于讓荷電材料表面電荷快速衰減，對(duì)深陷于材料陷阱內(nèi)的體電荷則沒有影響。熔噴PP非織造布存儲(chǔ)環(huán)境濕度不是引起靜電衰減的重要因素，因?yàn)镻P是疏水性材料，含濕率為0%，所以纖維內(nèi)嵌的體電荷不受環(huán)境濕度的影響[6]。高溫會(huì)造成靜電駐極材料的面電荷產(chǎn)生衰減，例如，70 ℃下加熱24 h(相當(dāng)于靜止貨架常溫儲(chǔ)存5年)以后，普通醫(yī)用口罩濾效損失率為3%，N 95口罩的靜電衰減在0.5%以內(nèi)。Cheng等[7]關(guān)于時(shí)間、溫度、濕度對(duì)荷電效果的影響的研究結(jié)果與上述結(jié)論一致。

5 口罩消毒和重復(fù)使用

靜電駐極熔噴非織造布口罩能阻隔病毒的空氣傳播，其過濾效率主要依靠駐極處理后濾芯所帶靜電荷的吸附作用。煮沸、噴灑酒精、紫外線照射、γ射線照射等屬于常規(guī)消毒處理方法，但由于這些方法或存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，或不同程度減少甚至消除口罩濾芯上的靜電荷，因而不適用于靜電駐極熔噴非織造布口罩消毒。

為解決口罩稀缺問題，近期出現(xiàn)了多種消毒與再生處理口罩的方法，如直接熱水消毒法、電吹風(fēng)荷電法、微波消毒法等，但上述方法或存在病毒泄露風(fēng)險(xiǎn)，或破壞口罩原有的荷電效應(yīng)和過濾性能。

據(jù)報(bào)道，新冠病毒在56 ℃環(huán)境中30 min滅活。因此，理論上質(zhì)量和性能合格的口罩在60～70 ℃的高溫干燥空氣中消毒30 min，可重復(fù)使用。據(jù)此，本文介紹2種較完善的口罩消毒方法。

5.1 烘(烤)箱加熱消毒法

此法基于蔡秉燚博士對(duì)熔噴布靜電駐極電荷持久性的研究結(jié)果：在70 ℃加熱熔噴布靜電駐極口罩24 h不會(huì)造成其荷電性能和過濾效率的明顯降低；濕度對(duì)PP非織造布的荷電性能沒有重要影響；短時(shí)佩戴過的口罩的剩余電荷和過濾效率仍可滿足使用要求。

具體操作如下：將口罩懸掛在70 ℃的烘(烤)箱內(nèi)30 min，避免接觸或接近金屬部件。若條件允許，可將口罩密封在耐熱塑料袋中再放入烤(烘)箱，避免病毒二次污染。此法適用于短時(shí)使用的口罩消毒處理，熱處理溫度和時(shí)間可調(diào)可控，方便安全。

5.2 非接觸性熱水消毒法

此法更加高效、安全，其原理同樣基于蔡秉燚對(duì)熔噴布靜電駐極電荷持久性的研究結(jié)果。所需物品及數(shù)量：盛水容器1個(gè)，玻璃球(或其他密度大于水的小物體)1個(gè)，食品級(jí)可加熱塑料袋(輕松放入口罩后距離袋口還有5～10 cm的長(zhǎng)度)1個(gè)，皮筋1條，可容納口罩的保溫杯/悶燒杯1個(gè)，溫度計(jì)1支。

具體操作如下。

——首先在保溫杯/悶燒杯內(nèi)準(zhǔn)備好溫度為60～70 ℃的熱水。

——戴上一次性手套，將口罩輕輕取下，放入裝有玻璃球的塑料袋中，合上袋口。雙手握持袋口，將其浸入盛水容器內(nèi)，使袋口露出水面。由于玻璃球的重力作用，裝有PP口罩(密度0.91 g/cm3)的塑料袋將沉入水中，此時(shí)，由于靜水壓的作用，塑料袋內(nèi)的空氣被自然擠出，口罩、玻璃球與塑料袋內(nèi)壁形成負(fù)壓真空區(qū)，緊緊貼合在塑料袋內(nèi)壁上。

——將探出水面的袋口對(duì)折收口，并用皮筋扎緊，將塑料袋從容器中取出。

——將上述塑料袋放入裝有60～70 ℃熱水的保溫杯/悶燒杯中，保持水面與杯口距離2～3 cm，塑料袋上的皮筋露出水面上，靜置至少30 min。其間，用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，保持水溫大于60 ℃。

此法溫度、時(shí)間可調(diào)可控，不會(huì)帶來(lái)衛(wèi)生安全問題，也不會(huì)損失口罩剩余電荷，更不會(huì)破壞口罩原有的微結(jié)構(gòu)，實(shí)際操作簡(jiǎn)便易行。此法既適合平面醫(yī)用口罩，也適合立體防護(hù)性口罩消毒。

6 展望

目前，為重復(fù)使用口罩，其消毒方法主要受限于口罩過濾層是靜電駐極熔噴PP非織造布，常規(guī)消毒方法容易破壞其發(fā)揮重要過濾功效的電荷。自2012年起，歐盟對(duì)空氣濾材和口罩提出了更加嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，過濾性能必須是去除所有電荷以后材料本身的凈過濾效率。過濾材料進(jìn)行過濾性能測(cè)試之前必須用酒精消除其電荷。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可采用ASHRAE 52.2附錄g[8]、IS 779[9-10]和ISO 16890[11-12]。未來(lái)，若能使用不需要靜電駐極即可達(dá)到要求的過濾材料替代現(xiàn)有醫(yī)用口罩、N 95醫(yī)用防護(hù)口罩和KN 95防塵口罩的過濾芯層，則就不存在靜電駐極熔噴布的過濾效率隨溫濕度變化的問題。需要重復(fù)使用時(shí)，可根據(jù)過濾材質(zhì)類型選用熱水浸泡、酒精浸泡、微波消毒、紫外或γ射線輻照等方法對(duì)口罩進(jìn)行消毒再生。