截至北京時(shí)間2020年5月6日21:00,全球新冠肺炎患者已經(jīng)累計(jì)達(dá)到3751966人,并造成了259209人的死亡。近距離飛沫傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播是新冠肺炎的三種主要傳播方式,而這三種傳播方式均需要經(jīng)過呼吸道才能達(dá)到新宿主的肺部,然后形成感染。因此,佩戴口罩是降低傳感風(fēng)險(xiǎn)的最佳途徑。目前防護(hù)效果較好的口罩為N95型口罩,然而,由于疫情在全球的肆虐導(dǎo)致N95口罩需求量的猛增以及N95口罩生產(chǎn)鏈被破壞導(dǎo)致的供應(yīng)大幅度降低,目前在疫情嚴(yán)重的國家,N95口罩已成奢侈品,出現(xiàn)了大量供不應(yīng)求的情況。為了緩解這一嚴(yán)峻的情況,就連美國總統(tǒng)特朗普也認(rèn)識(shí)到了:給N95口罩消毒可以增加口罩的使用次數(shù)!那么,哪些消毒方法既可以保證N95口罩的防護(hù)效果,又適用于大部分普通家庭的條件呢?

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針對這一問題,斯坦福大學(xué)崔屹教授研究團(tuán)隊(duì)在最新一期的《ACS Nano》中給出了答案:

(1)?簡單的加熱處理(溫度介于75~100℃,時(shí)間介于5~30min,溫度越低,則處理時(shí)間越長)可以很好地保持N95口罩的過濾效率(>95%)。如在溫度為85℃、濕度為30%的條件下處理20次(每次20 min)后,N95口罩的過濾效率仍達(dá)96.79 %。

(2)?紫外輻射處理(254 nm,8W)可以在低循環(huán)次數(shù)條件下保持N95口罩的過濾效率。當(dāng)循環(huán)處理次數(shù)超過10次后,過濾效率開始大幅度下降;經(jīng)過20次處理后,N95口罩的過濾效率僅為93%。

(3)?將N95口罩直接浸泡在消毒溶液中會(huì)大幅度降低口罩的過濾效率。如將N95口罩浸泡在75%的酒精中后迅速拿出、烘干,口罩的過濾效率降低至56.33 %。

這項(xiàng)研究對幾種居家的殺毒滅菌方法進(jìn)行了測試和評估,給出了N95口罩較佳消毒方法的建議。這在感染迅速蔓延的時(shí)期,對于緩解N95口罩短缺的壓力具有積極的促進(jìn)作用。該研究以題為“Can N95 Respirators Be Reused after Disinfection? How Many Times?”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。(后附原文鏈接)

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【N95口罩結(jié)構(gòu)與防護(hù)原理】

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圖1.(A)N95口罩內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)外觀圖;(B)多層結(jié)構(gòu)SEM圖;(C)PP熔噴布高倍數(shù)SEM圖;(D)不帶電荷(左)和帶電荷(右)PP熔噴布對粒子的阻隔效果示意圖

N95的測試標(biāo)準(zhǔn)或定義是對0.3 um的NaCl氣溶膠粒子實(shí)現(xiàn)>95%的阻隔。N95口罩的阻隔層由上下的支撐(或保護(hù))層微米纖維無紡布和中間的PP熔噴布組成,其中,PP熔噴布是N95口罩防護(hù)的核心材料。從SEM圖可以看出來,PP熔噴布是由之間介于1~10um的纖維組成的,同時(shí)中間還有較大的間隙,以保證口罩的透氣性。但是新冠病毒的大小約只有150nm,那么含有較大間隙的N95口罩是如何來對病毒進(jìn)行有效的阻隔呢?其實(shí)這主要源自于PP熔噴布纖維表面的大量電荷!在組裝成口罩前,熔噴布會(huì)通過電暈或摩擦等處理工序來使熔噴布纖維表面和內(nèi)部富集較多的靜電電荷,這些靜電電荷可以增強(qiáng)口罩對小粒子的吸附。因此,口罩的消毒處理過程中只要沒有破壞纖維的本體結(jié)構(gòu)和表面電荷,其防護(hù)性能基本都可以得到很好的保持。

 

【不同消毒方式對N95口罩防護(hù)性能的影響】

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圖2.不同消毒方式對PP熔噴布的防護(hù)性能影響

作者首先使用幾種家庭中常用的消毒方法/試劑對PP熔噴布進(jìn)行了第一次處理,結(jié)果如圖2所示。作者發(fā)現(xiàn)將PP熔噴布與溶液性消毒劑(實(shí)驗(yàn)中使用到酒精和NaClO消毒液)直接接觸會(huì)大幅度降低熔噴布的過濾效率,如75%的酒精溶液處理后過濾效率下降至56.33%。而測試中壓降很小,說明整個(gè)消毒處理過程中消毒溶液未破壞熔噴布纖維的本體結(jié)構(gòu);因此,這種處理方式導(dǎo)致熔噴布過濾效率下降的原因在于溶劑分子形成了分子吸附層,導(dǎo)致熔噴布纖維的靜電電荷量下降了。所以,這種用消毒液直接來對N95口罩消毒的方法并不可??!作者隨后對消毒效果不錯(cuò)的加熱處理、蒸汽處理和紫外處理進(jìn)行了循環(huán)研究,發(fā)現(xiàn)蒸汽處理的熔噴布在初始幾個(gè)循環(huán)過程中過濾效率保持地較好和較高,而后面幾個(gè)循環(huán)中急劇下降。研究后作者發(fā)現(xiàn),水分子與熔噴布纖維不長時(shí)間接觸或不過多接觸不會(huì)對纖維表面的靜電電荷產(chǎn)生明顯地減少作用。因此,作者接下來系統(tǒng)地研究了處理過程中加熱溫度和濕度對熔噴布過濾性能的影響。

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圖3.(A)和(B)分別是75℃干燥、水蒸氣、和紫外循環(huán)處理后熔噴布的過濾效率和壓降
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圖4.不同干燥溫度和濕度對熔噴布的過濾效率和壓降的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加熱處理時(shí)濕度對熔噴布的過濾效率沒有太大的影響,而加熱溫度在75~100℃區(qū)間內(nèi)時(shí),熔噴布在經(jīng)過多次循環(huán)試驗(yàn)后,其過濾效率可以得到很好的保持。例如在在溫度為85℃、濕度為30%的條件下處理20次(每次20 min)后,N95口罩的過濾效率仍達(dá)96.79 % [圖4(B)和(C)]。但是溫度過高時(shí)會(huì)使纖維的靜電電荷含量降低,這可能是高溫使極化狀態(tài)的纖維恢復(fù)到松弛狀態(tài)導(dǎo)致的。最后,作者研究了紫外循環(huán)處理對熔噴布過濾效率的影響,發(fā)現(xiàn)過多的循環(huán)也會(huì)導(dǎo)致纖維靜電電荷量的下降,進(jìn)而導(dǎo)致過濾效率的下降。比如,在254 nm,8W的紫外等循環(huán)輻射處理20次后,熔噴布的過濾效率下降至93%,低于N95的標(biāo)準(zhǔn)。

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圖5.紫外循環(huán)處理對熔噴布過濾效率的影響

 

【總結(jié)】

采用簡單的加熱處理(75~100℃,干燥或濕潤環(huán)境)可以有效地保證N95口罩的過濾效率,并且經(jīng)過多次循環(huán)后,其過濾效率仍然可以得到很好地保持。而采用消毒溶液直接對N95口罩進(jìn)行消毒的方法會(huì)大幅度降低熔噴布的靜電電荷量,進(jìn)而大大降低口罩的過濾效果。而短暫的蒸汽和紫外處理不會(huì)明顯影響熔噴布的靜電電荷量和N95口罩的過濾效率。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03597

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