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一次性口罩烤箱消毒和喷酒精方式给有用吗?

时间:2020-02-14   作者:小编  点击:0

市面上和电视里对于口罩使用方式的报导,多有不足的地方,因笔者从事的工作是空气过滤和静电棉(口罩里的主要过滤材料)方面的研发和应用,故在此想和大家说说什么是『口罩』, 一些空气过滤的原理和在使用口罩上应注意的事项。

鉴于此次冠状病毒的快速传播,对经济、社会民生及有疫情的国家都造成极大的影响,民众恐慌之余,口罩大量缺货。口罩原本是一个极其普通的生活用品,由于在空气过滤产品中,属于毛利较低的产品,故生产的厂商不算多,疫情一旦暴发,并加上大众的恐慌,供给不足的现象,就益发的严重了。

笔者看到市面上和电视里对于口罩使用方式的报导,多有不足的地方,因笔者从事的工作是空气过滤和静电棉(口罩里的主要过滤材料)方面的研发和应用,故在此想和大家说说什么是『口罩』, 一些空气过滤的原理和在使用口罩上应注意的事项。

一次性口罩烤箱消毒和喷酒精方式给有用吗?1

空气过滤的原理

空气过滤和水过滤及一般过滤的原理不一样,笔者不想在此对空气过滤的原理,多做赘述。但要介绍一个新观念,传统过滤的概念,就是通过孔隙的大小,来过滤掉比孔隙大的物质和颗粒,但在空气过滤中,却不一样。有一个专有名词,我们注重的是 穿透率最大的粒径 (Most Penetrating Particle Size: MPPS),穿透率最大,表示滤材拦截的效果最差,所以效率最低,MPPS代表的是一块滤材在一定的使用参数下,在某个气溶胶粒径下,效率是最低的。在现今口罩效率使用的范围内,MPPS大概在 0.3 微米(0.3 micron)左右。那效率和穿透率的关系是什么呢 ? 例如一个 90% 效率(E)的筛检程式,表示

一次性口罩烤箱消毒和喷酒精方式给有用吗?2
Photo:台湾区不织布工业同业公会

滤材效率和气溶胶粒径的关系

它的穿透率(P)是10%,它们的关系是 100%-P=E。0.3 微米的大小是多少?一根头发的直径大概在 50-100 微米左右,大概是一根头发的几百分之1而已。穿透率最大的粒径,也就是效率最小的粒径,如果 MPPS=0.3 微米,表示空气过滤效率在 0.3 微米时是最低的,空气中比 0.3 微米小的和大的气溶胶 (Aerosol/Particulate) 的过滤效率都比 0.3 微米要高。如图所示,在粒径=0.3 微米时,效率是最低的,可能和一般人的想法不一样,粒径很小的气溶胶反而是很好过滤的(过滤效率高)。 这也就是在空气筛检程式的测试和评估时,在 0.3 微米的空气过滤效率是很重要的一个指标,因为在这一点效率是最低的。

口罩和静电棉(Electret)

口罩,传统的空气过滤材料,如果想要达到较高的过滤效果,压损可能较高,压损高意味着阻力大,也就是吸气时较费力,为了要达到较高的初始效率及较低的吸气阻力(低压损),静电棉在口罩的应用中被广泛的使用。什么是静电棉?简单的说就是某些特殊的过滤材料,在经过特殊的程式和步骤后,在不改变材料的物理性质下,让这些过滤材料纤维的表面上产生静电和静电电场,藉以增加滤材的过滤效果 (Additional Dielectricphoretic force,Columbic Force and Image Force),因物理性质不变,滤材的阻力不会增加。但静电棉的种类繁多,而且加静电的方式很多,且和滤材本身的材质纯度以及添加剂的种类和其它因素,故静电加上去后,效率增加的多寡不一。加上静电的静电棉,有时会因其他的因素降低静电的效果,主要影响的因素如下:

时间效应和环境效应

静电棉中的静电强度的维持和储存的时间及储存的环境有关,所有的静电棉,随着储存时间都会有不同的影响,笔者曾服务于一家主要生产静电棉的厂商,对市面上的静电棉储存时间的影响做过评估,曾将 10 多种市场上的静电棉(包括用在口罩上的熔喷滤材)做过实验,所有材料都放在实验室的同一地方,经过 2 年的实际评估(每个月对这些静电棉做一次测试,得到效率和压损的资料),发现有的材料 2~3 个月后,静电就消失了 30-90%,但有些材料,2 年后,静电效果的降低只有 1~5%。好的静电棉材料,甚至可以维持 10~15 年,静电的效果只消失 5%。至于存放的环境,温度和湿度不宜太高。温湿度对静电棉都有影响的,尤其是温度湿度都高的地方,静电消失的很快。笔者看到电视上有人用微波炉来消毒口罩,那会让口罩的效率降低的。

不可用酒精去消毒口罩

酒精是口罩/静电棉的天敌,在实验室里做静电棉实验,如要消除静电棉滤材中的静电,看看不加电的效率时,就是用酒精去除纤维上的静电。酒精和酒精挥发的气体都会降低口罩的过滤效率,故千万不可将酒精喷在口罩上。医务人员,尤其应该注意,因为他们所处的环境中,使用酒精的频率和所处的环境中酒精气体的浓度都是较高的,如口罩供应充足,应注意更换,即使是 N95 的口罩也一样。

另外要说明一点观念,一个效率在 0.3 微米, 效率是 90% 的口罩和一个效率是 99% 的口罩,它们的差别不是只有 9%,而是十倍(1000%),因为如果有 10000 个病毒通过这两种口罩时,通过 90% 效率的口罩的病毒是 1000,而通过99%效率的口罩的病毒是100,1000/100=10 这就是差别为何是十倍而不是只有9%。有时看到电视上救治冠状病毒肺炎病人的医生,只带普通的医用平面口罩,笔者都会很替他们担心,因为除了效率较低,平面口罩的密封性也很差,更加重了危险性。

油性气溶胶(Oily Aerosol)及水性气溶胶(Liquid Aerosol)

油性气溶胶或水性气溶胶对静电棉/口罩效率有较大的影响,和平常固态气溶胶(Aerosol/Particulate)比起来,如环境中有较多的油性/水性气溶胶,口罩效率的会减少的较快,因为当油性和水性气溶胶收集在静电棉的纤维表面时,接触面积较大 (是面接触而不是固态气溶胶的点接触),故对纤维和纤维间因静电所产生的电场强度,有较大的伤害。

所以如果工作在有高浓度油性/水性气溶胶环境中(餐厅厨房,石化厂…)口罩更换频率需较高。

另外要提到一点,就是有些以气体形式存在化学物质,在环境中如果浓度太高,对口罩中的静电棉的静电强度也会有负面的影响。

细菌(Bacteria)和病毒 (Virus)

细菌(~0.3-30 微米,相对来说要大的多)和病毒(~0.004-0.4 微米,相对来说要小的多)对人体都会造成伤害。如前所述和图表一所示,很小的病毒和很大的细菌都不一定是问题,但粒径在 0.3 微米附近的病毒和细菌,因为过滤效率最低,所造成的威胁,相对来说,也可能较严重。

细菌和病毒在物理意义上来说和平常的气溶胶是一样的,实验中空气筛检程式(包含口罩)过滤的效果也是一样的,国外其实有很多这方面的研究(ASHRAE,RTI…),虽然市面上的口罩对医用和民用的口罩有所区别,但如果在口罩供给赶不上需求时,戴口罩本身比是否戴的是医用口罩来说要重要的多。

这次的冠状病毒的传染很快,除了常见的飞沫传染,可能和病毒气溶胶化(Aerosolized)有很大的关系,气溶胶化指的是当人咳嗽,打喷嚏甚至说话和呼吸时,都会制造气溶胶(Aerosol/Particulate),病毒有可能是单独或混在唾液里被放出体外,当唾液里的液体因外界的相对湿度较低而蒸发时,剩下的就是病毒或是有病毒附在上面的气溶胶了,病毒和有病毒的气溶胶的粒径可能都很小,可以漂的很远,也就是产生后,危险半径大大的增加了!

一次性口罩烤箱消毒和喷酒精方式给有用吗?3
Photo:台湾区不织布工业同业公会

配戴口罩所需注意的事项

笔者最近对数种市面上一般使用的口罩材料(N95以下),做了效率和吸气阻力的测试,在此对测试的步骤不做赘述,发现在 0.3 微米的效率为 13~92%,如前所述,穿透率为 8~87%,也就是市面上口罩的性能有很大的差别,可以说好坏之间有超过 10 倍(87/8 >10)的差别,国际上对于高效率的口罩都有很完整的标准,但对于日常使用的口罩,这一块的标准是有待加强的,尤其是碰到有疫情的时候。

戴口罩时的密封性是很重要的

戴口罩时,特别要注意密封,如果密封不好,过滤细菌和病毒的效果,会大打折扣,尤其是医务工作人员,需戴较高效的口罩(N95以上,R,P 级别),以N95的口罩为例,很多的N95口罩,在0.3 微米的效率都在99%以上(穿透率<1%), 即使只有少量的漏气,例如 3%,那也意味着防护力大大的减少,和1% 穿投率比较,至少有 3 倍的差别。日常戴口罩,如果有漏气时,往往会大于 3%。在先进国家,对于在有严重传染病人的环境里工作的人员,戴口罩后都需经过密封测试(Respirator Fit Test),确定有足够的防护力,才让他们进入医疗机构和病房。高效的口罩,虽然效率高, 但吸气的阻力也较高,有时很难长时间佩戴,尤其是心肺功能不好的人,故在有传染病人的危险区域工作的人,会直接戴有 pump(battery operated)和 100% 效率过滤罐的全面罩式的防毒面具,因过滤的空气是打入面罩内, 是正压,不会有呼吸困难的问题,另外可以防止病毒从其它器官(如眼睛和鼻子)进入人体。其它效率低于 N95 口罩的密封性也很重要,要记住,戴口罩不是一种形式,而是一种保护。因为没有这层保护,后果可能是很严重的,如有医用的胶带,可用胶带将口罩和面部接触的地方贴上胶带以减少漏气。

口罩的选择

市面上的口罩种类很多,分类也很复杂,在各式口罩供应充足时,可以按类别佩戴,但如果供给不够,重点就成为戴口罩而不是口罩的类别了。

N95口罩,效率高,但因吸气阻力大,并不是一定需要,可选择 N95 以下的口罩。 但医务人员在受污染的环境中工作时,在身体能够负荷的前提下,可选择N95以上,甚至全面式的防毒面具。

立体式口罩和平面式口罩有差别吗?答案是:有的,立体式口罩的密封性较平面式口罩的密封性要好。另外口罩中静电棉的效率对通过气体的面速(face velocity)较敏感,面速增加,气溶胶通过滤材的时间会减少,所以静电棉中静电电场对气溶胶的吸引力也会减少,过滤效率会降低,效率降低也就是降低了防护的能力。一般来说,人类呼吸的吸气量大概是 5~8 lpm (公升/分钟),一次吸气和呼气的气体容量大概是 500 cc。相对来说,但并不是绝对,立体口罩的可利用滤材面积较平面口罩的滤材面积要大且较均匀,平面口罩的有效过滤面积大都仅限于口鼻附近,尤其是在鼻子的下方,局部面积的面速在吸气时会较高,故平均的过滤的效果和效率可能没有立体口罩高。

口罩使用的寿命

在供应充足的情况下,按照指示使用,但在现今口罩供应紧缺且有疫情的状况下,延长使用的时间,问题一般不大,至于延长使用时间的长短,则视每日戴口罩的时间,所在环境中气溶胶的浓度及口罩的供给来决定。前提还是要戴口罩!

一般如不在高危环境下工作的人,一片一次性的口罩用个 3~5 天,是没有什么问题的。防疫物资毕竟要留给最需要的人。

照顾冠状病毒病人的医务人员则不一样,可能更换口罩的频率比平时还要高。这也就是为何一线医务人员的防护品一定要充足。

电视或日常生活里,看到有人戴好几层口罩,有帮助吗?答案还真是肯定的!空气筛检程式的滤材里若有数层材料,效率的计算方是Ptotal=P1*P2*P3….,这里的 P 是穿透率,有人戴了两层口罩,在 0.3 微米时,第一层的效率是 40% (穿透率为60%=0.6),第二层的效率是70%(穿透率是30%=0.3),两层的总穿透率为Ptotal=0.3*0.6=0.18(18%), 效率可提升到 82%,但吸气阻力同时也会增加(两者之和)。在没有高效筛检程式,而所处环境又需高效筛检程式时,这不失为一个解决问题的方法。

当口罩的使用的时间加长时,要注意的是口罩是否有损坏?切忌用酒精消毒,不要把口罩放在有机化学物质附近(尤其是易挥发的有机物质(VOC),VOC的chemical vapor会伤害口罩里静电棉的静电效应。

这两天电视上有专家们在辩论冠状病毒是否会以气溶胶(aerosol/particulate)的形式传播,一般感染的方式除了接触传播和飞沫传播,还有气溶胶的传染方式,前两者的影响范围较小,但病毒若以气溶胶的形式传播,其传播的范围和伤害,就要大的多。与其辩论病毒是否气溶胶化,不如尽快做些实验去验证,这些实验的结果一般都可以很快得知的。如在医疗机构和病房里采集空气中气溶胶,经过培养,并计算病毒的数量就可得知。如果病毒的气溶胶化被证实了,防护的方法,尤其是对医务人员的防护,肯定是要升级的。当然,病毒一旦变成气溶胶后,病毒的生命不是无限的,而是会在一定时间范围内死亡的。但为了小心起见,在室外,当疫情还没有完全消失之前,最好还是戴口罩!

其它的防护品,如空气滤清器,使用得当,也可以大大的减轻冠状病毒以气溶胶的方式传播的危险,笔者的经验和做过实验,一个中型的空气滤清器,在一个密闭的空间里,可以在 20-30 分钟内,将一个 25 平方米房间内气溶胶的浓度,降低 90% 以上(所有粒径 > .02 微米的气溶胶 )。

笔者希望此文能让大众对口罩材料中担当过滤重任的静电棉,正确戴口罩的方式及应注意的事项有所认识和说明。并希望疫情能迅速的得到控制和消灭,对在武汉和湖北,中国其它的省市及全球各地第一线奋战的医疗人员,笔者除了表示最高的敬意外,也希望此文对他们的自我保护,有所助益。

作者:谢克勤博士(Ker-Ching Hsieh,Ph.D)

介绍:谢博士毕业于美国明尼苏达大学(University of Minnesota)机械系的气溶胶实验室(Particle Technology Laboratory : PTL),后服务于美国3M数年,离开3M后,成立了一个独立过滤实验室,近10数年,在中国上海从事筛检程式研发和生产的工作。

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