救命的N95口罩,不为人知的华裔发明者
2020-03-25 21:44:57
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 来源:赛先生 

「利用蔡彼得的新方法所得到的带电非织造布,过滤空气中颗粒的能力强了10倍,还不会阻碍空气流通,奠定了N95口罩的技术基石。去年,曾有人估计这项技术保护和改善了超过10亿人的健康。 」

图源:pixabay.com

撰文| 刘迪一

责编| 李珊珊

当特朗普使用“中国病毒”,美国境内的仇华情绪开始抬头时,在尚无治疗药物的情况下,面对新冠病毒最为硬核的武器——N95口罩的发明者,一位硬核而低调的华裔工程师彼得·蔡,却正在被选择性忘记。

N95里的两大关键技术

N95口罩里的N代表not resistant to oil,即:不防油;数字代表使用0.3微米颗粒进行测试时的过滤效率,95就是至少能过滤掉95%的流感病毒、灰尘、花粉、雾霾、以及烟尘等微小颗粒物。与医用外科口罩类似,N95口罩的主体结构是由表层抗湿层、中间过滤吸附层以及内层贴肤层三部分组成,原材料均为高分子材料聚丙烯。

其中表层抗湿层和内层贴肤层大多都以纺粘非织造布和热风非织造布为原料,此类非织造布的纤维直径在15-40μm,透气性出色,但几乎没有过滤能力,它们作为口罩的最外和最内层,主要目的在于定型和保护中间层的熔喷布。

口罩的三层结构,中间层为主要防护层

左右两边分别为口罩熔喷布和普通无纺布的纤维结构(放大100倍)

N95口罩中间层的熔喷布,便是体现它制造技术的核心,也正因如此,目前,熔喷布在市场上已被炒到了30多万元1吨。

熔喷布的纤维(直径为1-5μm)细密而错杂地排列,可以说没给粉尘、病毒与细菌微沫留任何进入的空档,发挥着过滤与阻隔的核心作用,而这一功能的制造和实现,需得两大硬核技术的支撑。

第一,熔喷布得用强健又精确的熔喷非织造工艺批量生产出来,要知道平均直径<5μm的超细纤维可不是拉面,不是想拉就能拉的;

第二,拉出的熔喷布还得经过驻极处理,所谓的驻极处理是指让纤维表面带上大量静电电荷,因为借助静电吸附作用来捕捉细微颗粒物是过滤防护的关键。

这项技术保护和改善了超过10亿人的健康

今天,两大核心技术的实现与普及帮助N95口罩走入千家万户,但在30年前,它们是很多研究者在实验室里熬夜攻坚的对象。

美国华裔工程师蔡彼得(Peter Tsai)也是攻坚大军里的其中之一。

这位蔡工程师在材料方面涉猎广泛,他既研究熔喷非织造工艺,又解决驻极处理问题。

对于前者,他不断尝试优化熔喷工艺,推动其发展,到如今,人们可以直接利用一套成熟的方法,在高压、高热空气下将聚合物牵伸成超细纤维。而在驻极处理技术方面,他的贡献更是堪称革命性。

首先,他利用电场使中性的空气发生电离,产生带相反电荷的离子和电子,然后通过电场和感应使非织造纤维带上电。经过这种驻极处理的纤维便可以吸附各种妄图穿过口罩的微小物体。

经过驻极处理的纤维吸附外来粒子的示意图

依靠他的新方法所得到的带电非织造布,相比不带电的织物,过滤空气中颗粒的能力强了10倍,而且还不会阻碍空气流通。这种技术,成了N95口罩的技术基石。

1995年,蔡彼得获得了5项美国专利,其中一项便是这个“口罩黑科技”。

这位N95口罩幕的后缔造者在田纳西大学工作超过了25个年头,去年刚刚退休。作为一位非织造纤维领域的大牛,他目前拥有12个美国发明专利,超过20个商业产品授权,其技术被工业界广泛使用了30多年,除了用在N95和医用口罩上,还有HVAC空气过滤器等产品。

田纳西大学设有一个极负盛名的奖项——惠利奖(B. Otto and Kathleen Wheeley Award),旨在表彰那些做出了卓越产业化研究的教职工,而蔡彼得于2006年获此殊荣。

值得一提的是,蔡彼得在2018年的时候还研发了一种通过摩擦将静电荷安排到织物上的新方法。这个新技术使用超纯水浸透无纺布,然后以高压真空把水抽掉,这个被称为“水力摩擦带电”(hydro triboelectrification)的过程能产生摩擦并将电荷高效地传递到织物上,且无需重复,最后可以得到过滤效率比未处理的织物高20倍的无纺布。

田纳西大学的副校长玛哈·克里希那穆提(Maha Krishnamurthy)曾这样评价蔡彼得:“他证明了我们学校的研究人员是怎样建立并保持科研与产业间联系的,是怎样将创新产品推向市场并产生巨大影响的。我们感谢他对研究的奉献,以及对研究成果产业化的热情和动力。”

去年曾有人估计蔡彼得研发的技术保护和改善了超过10亿人的健康。而在COVID-19肆虐全球的眼下,或许我们都该对蔡师傅道一声感谢,虽然这个低调的华裔小老头几乎不曾出现于正在热烈探讨“中国病毒”的美国媒体上。

参考资料:

[1]What you need to know about surgical masks, N95 respirators and coronavirus

https://www.knoxnews.com/story/news/2020/03/11/coronavirus-masks-n-95-respirators-faq/4978243002/

[2]UT Researcher’s Nonwoven Fabrics Protect the Health of More Than a Billion People

https://utrf.tennessee.edu/ut-researchers-nonwoven-fabrics-protect-the-health-of-more-than-a-billion-people/

[3]UT Plant Scientist, Textile Researcher Share Entrepreneurship Award

https://news.utk.edu/2006/10/10/ut-plant-scientist-textile-researcher-share-entrepreneurship-award/

[4]杨荆泉, 田涛. 驻极体过滤材料及其在空气净化领域的应用[J]. 环境与健康杂志, 2009(08):89-91.

[5]黄海超, 宋国林, 唐国翌, et al. 驻极体-增塑剂复合改性聚乳酸熔喷非织造材料的制备及性能[J]. 复合材料学报, 2019, 36(03):25-33.

[6]何俊美,魏秋华,任哲,苏裕心,杨华明.在新型冠状病毒肺炎防控中口罩的选择与使用[J].中国消毒学杂志,2020,37(02):137-141.

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