口罩對新冠病毒的防護作用及滅菌后重復使用方法

劉延波 郝 銘 劉玲玲 劉 垚 蔡秉燚 陳志軍

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

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行空氣傳播時，其尺寸在5 μm 以上。嚴重感染新冠病毒可導致急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)和敗血癥，最終導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。采取合適的措施預防新冠病毒感染至關重要。具有細顆粒物和/或細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、一罩難求或價格暴漲，為此，有必要對口罩進行消毒后重復使用。本文介紹了口罩防護機理、各類常見口罩的結構與性能特點及區別，特別說明了口罩存儲過程中靜電荷衰減情況及使用和重復使用口罩的可行方法，以幫助用戶正確選擇口罩，抗擊當前仍在蔓延的新冠病毒。

1 口罩的防護機理

口罩的防護性能一般基于下述5種空氣過濾機理，如圖1所示。

圖1 空氣過濾機理

——攔截/篩濾效應，尺寸比濾材孔徑大的顆粒通常會被直接攔截在濾材的表面；

——慣性效應，當顆粒質量較大或者速度較快，在流線通過濾材的曲折孔轉彎時，微粒由于慣性來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；

——擴散效應，小于0.3 μm的氣溶膠顆?？梢揽坎祭蔬\動到達纖維表面并沉積下來；

——靜電效應，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，采用靜電駐極技術對濾材進行荷電處理，可使濾材帶上持久體電荷、不易失去；

——重力效應，顧名思義，顆粒物因重力沉降而

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

2 口罩測試指標、分類、結構及防護性能要求

口罩的測試指標主要包括對顆粒物過濾效率(PFE)、對顆粒物過濾阻力(ΔP)、對細菌過濾效率(BFE)和流體阻力(FR)4個指標。

PFE：衡量醫用口罩對亞微米級顆粒的過濾效果，用于模擬材料對病毒的過濾能力。在美國，口罩的PFE遵照42 CFR Part 84[1]標準進行，使用流速為85 L/min(N 95防塵口罩)或 32 L/min(醫用N 95口罩)的NaCl多分散性顆粒作為測試顆粒，其數均中位直徑為0.075 μm，重均中位直徑為0.26 μm。

ΔP：對口罩進行過濾效率測試時，由于上下表面氣流壓差導致的風阻，簡稱壓差/壓力降。

BFE：用以衡量醫用口罩遇到飛沫或含有細菌的氣霧時過濾細菌的能力。在美國，醫用口罩BFE的測試按照FDA 510 (k)要求進行，測試結果同時也可滿足ASTM F 2100[2-3]、ASTM F 2101[4]和EN 14683[5]的要求。測試細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，測試速度為28.3 L/min，所得BFE最高可達99.9%，醫用級別口罩要求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，阻擋液體從口罩外層流向內層的能力。使用人造血液在不同壓力下對材料外層進行噴濺試驗，數值越大表明阻隔能力越好。

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

各國對于各種口罩(尤其是醫用口罩和防塵口罩)有不同的分類和管理監督辦法。中國和美國的常用口罩分類、結構、性能要求及其執行標準如表1所示。美國醫用外科口罩性能要求比較復雜，未列于表1。

a) 紗布口罩

b) 布口罩

c) 一次性(使用)醫用口罩

d) 醫用外科口罩

e) 醫用防護口罩

f) NIOSH N 95口罩

g) N 95防塵口罩

h) KN 95 防塵口罩

表1 各類常用口罩的結構與性能特點比較

依據NIOSH 42CFR 84，美國醫用外科口罩性能須達到BFE≥95%(過濾3 μm細菌)，PFE≥95%(過濾0.24 μm顆粒物)，測試須遵照ASTM F 2100和ASTM F 210標準進行。按照防護隔阻水平不同，美國ASTM將醫用外科口罩分成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，醫用N 95防護口罩的防護等級最高，可對經空氣傳播的呼吸道傳染病進行有效防御，濾除空氣中的亞微米級顆粒(PM 2.5)、阻擋經空氣傳播的直徑<5 μm的大部分感染因子如細菌、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防塵口罩和醫用外科口罩的功能。世界衛生組織(WHO)已經推薦醫務人員采用防顆粒物的防護口罩來防止醫院空氣中的病毒感染，醫用N 95防護口罩也是目前新冠病毒抗疫前線醫護人員的最佳醫療防護用品。

通過對各類口罩的比較可知，針對新冠病毒，各類口罩防護性能優劣排序如下：

美國N 95醫用防護口罩>美國K 95防塵口罩≥

中國KN 95防塵口罩≥美國醫用外科口罩>中國醫用防護口罩>中國醫用外科口罩>美國/中國普通醫用口罩>(紗)布口罩。

本文對如何選擇和使用口罩進行了簡單的總結說明，如圖3所示。

圖3 口罩選用方法

4 口罩的濾芯荷電技術及靜電衰減

醫用口罩和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/芯材/濾芯，其中N 95口罩具有兩層濾芯，醫用外科口罩有一層濾芯，因此，N 95口罩的透氣性不及醫用口罩?，F有醫用口罩和N 95/KN 95防護口罩一般均采用電暈放電靜電駐極技術，少部分KN 95口罩采用靜電紡納米纖維過濾技術。

目前，電暈放電是使用最多的一種靜電駐極技術，已在全球范圍內得到廣泛應用。

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

荷電量會隨溫度、環境濕度和時間的增加逐漸衰退，過濾效率也會相應下降。濕度對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，對深陷于材料陷阱內的體電荷則沒有影響。熔噴PP非織造布存儲環境濕度不是引起靜電衰減的重要因素，因為PP是疏水性材料，含濕率為0%，所以纖維內嵌的體電荷不受環境濕度的影響[6]。高溫會造成靜電駐極材料的面電荷產生衰減，例如，70 ℃下加熱24 h(相當于靜止貨架常溫儲存5年)以后，普通醫用口罩濾效損失率為3%，N 95口罩的靜電衰減在0.5%以內。Cheng等[7]關于時間、溫度、濕度對荷電效果的影響的研究結果與上述結論一致。

5 口罩消毒和重復使用

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消毒處理方法，但由于這些方法或存在二次污染風險，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、電吹風荷電法、微波消毒法等，但上述方法或存在病毒泄露風險，或破壞口罩原有的荷電效應和過濾性能。

據報道，新冠病毒在56 ℃環境中30 min滅活。因此，理論上質量和性能合格的口罩在60～70 ℃的高溫干燥空氣中消毒30 min，可重復使用。據此，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熔噴布靜電駐極電荷持久性的研究結果：在70 ℃加熱熔噴布靜電駐極口罩24 h不會造成其荷電性能和過濾效率的明顯降低；濕度對PP非織造布的荷電性能沒有重要影響；短時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。此法適用于短時使用的口罩消毒處理，熱處理溫度和時間可調可控，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熔噴布靜電駐極電荷持久性的研究結果。所需物品及數量：盛水容器1個，玻璃球(或其他密度大于水的小物體)1個，食品級可加熱塑料袋(輕松放入口罩后距離袋口還有5～10 cm的長度)1個，皮筋1條，可容納口罩的保溫杯/悶燒杯1個，溫度計1支。

具體操作如下。

——首先在保溫杯/悶燒杯內準備好溫度為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，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，由于靜水壓的作用，塑料袋內的空氣被自然擠出，口罩、玻璃球與塑料袋內壁形成負壓真空區，緊緊貼合在塑料袋內壁上。

——將探出水面的袋口對折收口，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，用溫度計監測水溫，保持水溫大于60 ℃。

此法溫度、時間可調可控，不會帶來衛生安全問題，也不會損失口罩剩余電荷，更不會破壞口罩原有的微結構，實際操作簡便易行。此法既適合平面醫用口罩，也適合立體防護性口罩消毒。

6 展望

目前，為重復使用口罩，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，常規消毒方法容易破壞其發揮重要過濾功效的電荷。自2012年起，歐盟對空氣濾材和口罩提出了更加嚴苛的標準，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。過濾材料進行過濾性能測試之前必須用酒精消除其電荷。測試標準可采用ASHRAE 52.2附錄g[8]、IS 779[9-10]和ISO 16890[11-12]。未來，若能使用不需要靜電駐極即可達到要求的過濾材料替代現有醫用口罩、N 95醫用防護口罩和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。需要重復使用時，可根據過濾材質類型選用熱水浸泡、酒精浸泡、微波消毒、紫外或γ射線輻照等方法對口罩進行消毒再生。