口罩对新冠病毒的防护作用及灭菌后重复使用方法

刘延波 郝 铭 刘玲玲 刘 垚 蔡秉燚 陈志军

1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院(中国)2. 武汉纺织大学 化学与化工学院(中国)3. 田纳西大学(美国)

新型冠状病毒(2019-nCoV/SARS-CoV-2/COVID-19)尺寸为60～140nm，依附在飞沫、体液及气溶胶等载体上进行空气传播时，其尺寸在5 μm 以上。严重感染新冠病毒可导致急性呼吸窘迫综合征(ARDS)和败血症，最终导致白肺和多器官衰竭而死亡。新冠病毒肺炎的潜伏期通常为1～14 d，多为3～7 d。目前确定的新冠病毒的传播方式有飞沫传播、接触传播和气溶胶传播。采取合适的措施预防新冠病毒感染至关重要。具有细颗粒物和/或细菌过滤隔阻能力的口罩可用以防御新冠病毒。但是，目前全球口罩紧缺、一罩难求或价格暴涨，为此，有必要对口罩进行消毒后重复使用。本文介绍了口罩防护机理、各类常见口罩的结构与性能特点及区别，特别说明了口罩存储过程中静电荷衰减情况及使用和重复使用口罩的可行方法，以帮助用户正确选择口罩，抗击当前仍在蔓延的新冠病毒。

1 口罩的防护机理

口罩的防护性能一般基于下述5种空气过滤机理，如图1所示。

图1 空气过滤机理

——拦截/筛滤效应，尺寸比滤材孔径大的颗粒通常会被直接拦截在滤材的表面；

——惯性效应，当颗粒质量较大或者速度较快，在流线通过滤材的曲折孔转弯时，微粒由于惯性来不及跟随流线绕过纤维，因而脱离流线撞击在纤维上而沉积下来；

——扩散效应，小于0.3 μm的气溶胶颗粒可依靠布朗运动到达纤维表面并沉积下来；

——静电效应，纤维和颗粒物因各种原因可能带上电荷，静电吸引颗粒物，其中，采用静电驻极技术对滤材进行荷电处理，可使滤材带上持久体电荷、不易失去；

——重力效应，顾名思义，颗粒物因重力沉降而

被过滤，但对于直径小于0.5 μm的气溶胶颗粒，若其未沉降到纤维上便已经通过了纤维层，其重力效应可忽略。

2 口罩测试指标、分类、结构及防护性能要求

口罩的测试指标主要包括对颗粒物过滤效率(PFE)、对颗粒物过滤阻力(ΔP)、对细菌过滤效率(BFE)和流体阻力(FR)4个指标。

PFE：衡量医用口罩对亚微米级颗粒的过滤效果，用于模拟材料对病毒的过滤能力。在美国，口罩的PFE遵照42 CFR Part 84[1]标准进行，使用流速为85 L/min(N 95防尘口罩)或 32 L/min(医用N 95口罩)的NaCl多分散性颗粒作为测试颗粒，其数均中位直径为0.075 μm，重均中位直径为0.26 μm。

ΔP：对口罩进行过滤效率测试时，由于上下表面气流压差导致的风阻，简称压差/压力降。

BFE：用以衡量医用口罩遇到飞沫或含有细菌的气雾时过滤细菌的能力。在美国，医用口罩BFE的测试按照FDA 510 (k)要求进行，测试结果同时也可满足ASTM F 2100[2-3]、ASTM F 2101[4]和EN 14683[5]的要求。测试细菌选用金黄色葡萄球菌的气溶胶液滴，其粒径中位平均值(MPS)为3 μm，测试速度为28.3 L/min，所得BFE最高可达99.9%，医用级别口罩要求BFE最低为95%。

FR：反映外科口罩在遇到液体飞溅或者喷溅情况时，阻挡液体从口罩外层流向内层的能力。使用人造血液在不同压力下对材料外层进行喷溅试验，数值越大表明阻隔能力越好。

口罩分类与其结构和性能密切相关，通常口罩可分为3大类，即普通口罩[图2a)和2b)]、医用口罩[图2c)～2f)]和防尘口罩[图2g)和2h)]。医用口罩又分为医用普通口罩、医用外科口罩和医用防护口罩，均要求带鼻夹、不带呼吸阀和活动滤芯。

各国对于各种口罩(尤其是医用口罩和防尘口罩)有不同的分类和管理监督办法。中国和美国的常用口罩分类、结构、性能要求及其执行标准如表1所示。美国医用外科口罩性能要求比较复杂，未列于表1。

a) 纱布口罩

b) 布口罩

c) 一次性(使用)医用口罩

d) 医用外科口罩

e) 医用防护口罩

f) NIOSH N 95口罩

g) N 95防尘口罩

h) KN 95 防尘口罩

表1 各类常用口罩的结构与性能特点比较

依据NIOSH 42CFR 84，美国医用外科口罩性能须达到BFE≥95%(过滤3 μm细菌)，PFE≥95%(过滤0.24 μm颗粒物)，测试须遵照ASTM F 2100和ASTM F 210标准进行。按照防护隔阻水平不同，美国ASTM将医用外科口罩分成3类，即Level 1、Level 2 和Level 3。其中，Level 1口罩可用于外科和处置工作，尤其是面对流体(血液、飞沫、体液)溅射及气溶胶颗粒物较少的情况下[BFE≥95%，PFE≥95%；体液阻力80 mmHg(10.6 kPa)]。Level 2适用于产生的血液、飞沫、体液和/或气溶胶颗粒程度为中度到轻度的情况[BFE≥95%,PFE≥98%；体液阻力120 mmHg (16.0 kPa)]。Level 3适用于产生的血液、飞沫、体液和/或气溶胶颗粒程度为重度的情况[BFE≥95%，PFE≥98%；体液阻力160 mmHg (21.3 kPa)]。

3 口罩选用方法

所有口罩中，医用N 95防护口罩的防护等级最高，可对经空气传播的呼吸道传染病进行有效防御，滤除空气中的亚微米级颗粒(PM 2.5)、阻挡经空气传播的直径<5 μm的大部分感染因子如细菌、病毒等病原体，阻隔飞沫、血液、体液、分泌物微滴等，兼具N 95/KN 95防尘口罩和医用外科口罩的功能。世界卫生组织(WHO)已经推荐医务人员采用防颗粒物的防护口罩来防止医院空气中的病毒感染，医用N 95防护口罩也是目前新冠病毒抗疫前线医护人员的最佳医疗防护用品。

通过对各类口罩的比较可知，针对新冠病毒，各类口罩防护性能优劣排序如下：

美国N 95医用防护口罩>美国K 95防尘口罩≥

中国KN 95防尘口罩≥美国医用外科口罩>中国医用防护口罩>中国医用外科口罩>美国/中国普通医用口罩>(纱)布口罩。

本文对如何选择和使用口罩进行了简单的总结说明，如图3所示。

图3 口罩选用方法

4 口罩的滤芯荷电技术及静电衰减

医用口罩和N 95口罩都含有由静电驻极熔喷聚丙烯(PP)非织造布组成的过滤介质/芯材/滤芯，其中N 95口罩具有两层滤芯，医用外科口罩有一层滤芯，因此，N 95口罩的透气性不及医用口罩。现有医用口罩和N 95/KN 95防护口罩一般均采用电晕放电静电驻极技术，少部分KN 95口罩采用静电纺纳米纤维过滤技术。

目前，电晕放电是使用最多的一种静电驻极技术，已在全球范围内得到广泛应用。

电晕放电过程中，金属尖端放电产生的电场使中性空气电离后产生离子和电子，非织造布纤维在电场作用下充电，电荷永久性嵌入纤维中形成驻极体。经电晕放电处理后的非织造布通过静电吸引作用提高对颗粒物的过滤效率。研究结果显示，10层未荷电的熔喷PP非织造布的PFE可达到95%，而1层熔喷 PP非织造布荷电后，其PFE由未荷电时的25% 提高到95%，这意味着通过此荷电技术，滤材成本可降低10倍。

荷电量会随温度、环境湿度和时间的增加逐渐衰退，过滤效率也会相应下降。湿度对PP驻极体的电荷衰减和使用寿命虽有一定影响，但只限于让荷电材料表面电荷快速衰减，对深陷于材料陷阱内的体电荷则没有影响。熔喷PP非织造布存储环境湿度不是引起静电衰减的重要因素，因为PP是疏水性材料，含湿率为0%，所以纤维内嵌的体电荷不受环境湿度的影响[6]。高温会造成静电驻极材料的面电荷产生衰减，例如，70 ℃下加热24 h(相当于静止货架常温储存5年)以后，普通医用口罩滤效损失率为3%，N 95口罩的静电衰减在0.5%以内。Cheng等[7]关于时间、温度、湿度对荷电效果的影响的研究结果与上述结论一致。

5 口罩消毒和重复使用

静电驻极熔喷非织造布口罩能阻隔病毒的空气传播，其过滤效率主要依靠驻极处理后滤芯所带静电荷的吸附作用。煮沸、喷洒酒精、紫外线照射、γ射线照射等属于常规消毒处理方法，但由于这些方法或存在二次污染风险，或不同程度减少甚至消除口罩滤芯上的静电荷，因而不适用于静电驻极熔喷非织造布口罩消毒。

为解决口罩稀缺问题，近期出现了多种消毒与再生处理口罩的方法，如直接热水消毒法、电吹风荷电法、微波消毒法等，但上述方法或存在病毒泄露风险，或破坏口罩原有的荷电效应和过滤性能。

据报道，新冠病毒在56 ℃环境中30 min灭活。因此，理论上质量和性能合格的口罩在60～70 ℃的高温干燥空气中消毒30 min，可重复使用。据此，本文介绍2种较完善的口罩消毒方法。

5.1 烘(烤)箱加热消毒法

此法基于蔡秉燚博士对熔喷布静电驻极电荷持久性的研究结果：在70 ℃加热熔喷布静电驻极口罩24 h不会造成其荷电性能和过滤效率的明显降低；湿度对PP非织造布的荷电性能没有重要影响；短时佩戴过的口罩的剩余电荷和过滤效率仍可满足使用要求。

具体操作如下：将口罩悬挂在70 ℃的烘(烤)箱内30 min，避免接触或接近金属部件。若条件允许，可将口罩密封在耐热塑料袋中再放入烤(烘)箱，避免病毒二次污染。此法适用于短时使用的口罩消毒处理，热处理温度和时间可调可控，方便安全。

5.2 非接触性热水消毒法

此法更加高效、安全，其原理同样基于蔡秉燚对熔喷布静电驻极电荷持久性的研究结果。所需物品及数量：盛水容器1个，玻璃球(或其他密度大于水的小物体)1个，食品级可加热塑料袋(轻松放入口罩后距离袋口还有5～10 cm的长度)1个，皮筋1条，可容纳口罩的保温杯/闷烧杯1个，温度计1支。

具体操作如下。

——首先在保温杯/闷烧杯内准备好温度为60～70 ℃的热水。

——戴上一次性手套，将口罩轻轻取下，放入装有玻璃球的塑料袋中，合上袋口。双手握持袋口，将其浸入盛水容器内，使袋口露出水面。由于玻璃球的重力作用，装有PP口罩(密度0.91 g/cm3)的塑料袋将沉入水中，此时，由于静水压的作用，塑料袋内的空气被自然挤出，口罩、玻璃球与塑料袋内壁形成负压真空区，紧紧贴合在塑料袋内壁上。

——将探出水面的袋口对折收口，并用皮筋扎紧，将塑料袋从容器中取出。

——将上述塑料袋放入装有60～70 ℃热水的保温杯/闷烧杯中，保持水面与杯口距离2～3 cm，塑料袋上的皮筋露出水面上，静置至少30 min。其间，用温度计监测水温，保持水温大于60 ℃。

此法温度、时间可调可控，不会带来卫生安全问题，也不会损失口罩剩余电荷，更不会破坏口罩原有的微结构，实际操作简便易行。此法既适合平面医用口罩，也适合立体防护性口罩消毒。

6 展望

目前，为重复使用口罩，其消毒方法主要受限于口罩过滤层是静电驻极熔喷PP非织造布，常规消毒方法容易破坏其发挥重要过滤功效的电荷。自2012年起，欧盟对空气滤材和口罩提出了更加严苛的标准，过滤性能必须是去除所有电荷以后材料本身的净过滤效率。过滤材料进行过滤性能测试之前必须用酒精消除其电荷。测试标准可采用ASHRAE 52.2附录g[8]、IS 779[9-10]和ISO 16890[11-12]。未来，若能使用不需要静电驻极即可达到要求的过滤材料替代现有医用口罩、N 95医用防护口罩和KN 95防尘口罩的过滤芯层，则就不存在静电驻极熔喷布的过滤效率随温湿度变化的问题。需要重复使用时，可根据过滤材质类型选用热水浸泡、酒精浸泡、微波消毒、紫外或γ射线辐照等方法对口罩进行消毒再生。