#武漢肺炎 湯博士的物理空間 「銅芯口罩疑雲」

#武漢肺炎 湯博士的物理空間 「銅芯口罩疑雲」

2020-05-28

【資訊】「銅芯口罩疑雲」~ 傳媒找 湯博士 做訪問,想解釋一下政府推出的可重用「銅芯口罩」,湯博士 就順便請大學同事幫忙用電子顯微鏡看看它的結構。本文旨在與大家分享所看見的情況及相關資料,簡單解釋一下湯博士個人對此重用口罩的意見,並非研究報告。

銅芯口罩共有六層,外層看來與一般布口罩差不多,內層只為舒適貼面。口罩主要的功能在於中間可換的濾芯,濾芯有四層,只有中間兩層有實際的效能,過濾層主要負責過濾微小粒子,而抗菌層帶有銅,能抑制細菌和病毒。

利用電子顯微鏡放大800倍,可見銅芯口罩過濾層的纖維結構和密度 與普通一次性口罩 沒有很大的分別,但如果與某醫療級數口罩相比 ,纖維密度就明顯較疏了。濾網纖維的密度夠高,再加上纖維上的靜電,都能使過濾層能有效捕捉大小在微米尺度 [1] 或更小的粒子 [2]。

銅芯口罩抗菌層是淡啡黃色的,非常薄而且纖維很稀疏,纖維間孔洞的在1/10 毫米的尺度 ,因此過濾功能很小,主要是靠銅抗菌。放大至二千倍,開始清楚看見纖維上的微粒 ,在過萬倍放大下可以清楚看見尺度在0.1-1微米的粒子 ,用光學顯微鏡可以看見粒子是啡紅色的 ,可能是銅的顏色,X射線光譜顯示粒子有銅和氧的成份 ,幾乎可以確定是銅或氧化銅的微粒。

銅芯口罩的官方網站列出幾個測試報告 [3],說明口罩已通過ASTM F2100-19 Level 1 標準的測試,測試是台灣一間紡織研究所做的,當中包括顆粒過濾率 (PFE)、細菌過濾率 (BFE) [4]、壓力差 [5]、合成血液穿透阻力及阻燃率。這些測試報告共有三份,分別是口罩沒有洗過,洗過40次程和洗過60次後的情況。官方公佈此口罩可重用及洗滌60次,相信是根據以下測試結果:報告顯示洗滌前和洗過40次後口罩的 PFE都在 95% 以上,而壓力差都少於 5,但洗過60次後 PFE已略低於95%,而壓力差亦見略高於 5,雖然其他指數未見不合格,但因為這兩個指數超標,再也不能符合 Level 1 的標準,所以需要更換。另外網站有列出兩個報告,證明某種布料有抗菌和抗病毒的功能,並在網頁上註明測試所用的布料帶有氧化銅,與銅芯口罩所用的一樣,但有關氧化銅的資料就未見於報告內,而測試所用的布料也似乎與銅芯口罩所用的不同 [3]。

以下是湯博士個人對銅芯口罩的意見,雖然只是個人觀點,十分粗疏,但仍盡可能基於客觀科學知識和現有資料而提出,沒有其他考慮。

1. 抗菌層的銅粒子未必能有效消毒過濾層:銅或氧化銅粒子有抗菌或抗病毒功能,在不少文獻已論述過 [6],在此不詳述。但要有效,前提是要與銅有接觸,以及有水份讓銅能釋放離子。飛沫帶有水份,要有水不難,但問題是接觸。抗菌層只可消毒落在它表上面較大的飛沫,而不能消毒與之相鄰的過濾層。從上面的觀察得知,抗菌層的纖維非常稀疏,幾乎沒有過濾功能,微小的粒子很易穿過外層的布和抗菌層的洞孔,一直走到過濾層的纖維內才沉積下來。因為在微觀尺度下,所有表面都是凹凸不平的,即使是兩個互相緊貼的平面,物質實際上接觸的面積一般只是平面面積的千分之一左右,對於兩塊充滿凹凸纖維的表面(其中一塊的纖維更是非常稀疏)就更小,至於過濾層纖維內的微細空隙就更不用說。所以抗菌層和過濾層雖然相鄰,但物理上並沒有充份的接觸,是無法對過濾層發揮抗菌能力的。換言之,過濾層纖維中的累積的污積就只能透過洗滌除去。

2. 洗滌不能有效清潔過濾層:官方的指引說重用口罩在洗滌過程中不可以「擰」或「扭」,以免破壞纖維結構。如此說,所謂洗滌就只能是放在肥皂水中浸泡或輕揚。官方網站的測試報告亦也未有清楚說明測試時洗滌是如何進行的 [3]。因為過濾層纖維中的空隙很小,在 1-10 微米的尺度,而口罩纖維材料一般不會是親水的,如果空隙困住空氣,在沒有外來壓力下,水流未必能順利流過空隙,即使水進了去,在迂迴細小的空隙中也很難把污積沖走。如果是幾天問題可能不大,但如果是數十天,纖維內的污積就不可忽視了。

3. 報告的測試結果未必能反映實際使用時的功能下降:報告的測試只說口罩洗了40次、60次,但就未說明在每次洗滌之間口罩有沒有經歷正常使用帶來的損耗 [3]。口罩在實際使用時,令它的功能隨時間下降的,很可能是空氣污染物累積在過濾層,與洗滌未必有關。污染物有機會渚塞部分纖維間的空隙,令壓力差上升(即口罩不透氣),使口罩「愈戴愈局」,如果阻塞嚴重,又無法清潔乾淨,可能使更多空氣由口罩側邊的嚹隙進入,而不經過濾層。研究這個影響的正確方法,是在每次洗滌之間把口罩戴上模擬呼吸機上(當然真人測試最好!),在不同環境,例如是街道、辦公室或公共交通工具內,模擬人體呼吸,使空氣經過口罩 6-8 小時,讓污染物有機會累積,如此經歷多日後再作測試。如果欠缺了這一步,得出口罩可重用多少次的結論意義不大。

4. 教育大眾保養口罩的難度:雖說洗滌方式有明確指引,但不要忘記,你要面對的是普羅大眾,不單是知識分子,對於阿公阿婆,你告訴他們濾芯可以洗,他們怕不乾淨,很自然就會又扭又擰,不會跟你客氣。香港天氣潮濕,濾芯四層包裹,已經不易乾透,如果阿公阿婆不懂把濾芯拆出來洗,涼一晚能否乾透也未知。我經常勸人小心口罩的狀況(雖然很少人理我),不要戴濕的口罩,擔心病毒有機隨水膜擴散至裡面,增加染病的風險。

5. 銅粒子的毒性問題:從上述的觀察得知,抗菌層粒子的大小在 0.1-1 微米的尺度。從口罩的結構看,抗菌層放在過濾層外面,即使有少量粒子在長期使用中掉了出來,以這個大小的粒子,又隨空氣流動的速度也很低,不容易穿透過濾層而被吸入。但這只是顯微鏡所能看見的情況而已,纖維上有沒有更小的粒子、或是否會釋放游離的銅離子,有多少機會被吸入,就不得而知了。雖知很多納米粒子的毒性在科學上還未完全清楚,把這些東西放在鼻子上長遠是否有風險,還需要深入研究。

註解 及參考資料

[1] 一微米 (μm) 即百萬分之一米,也相當於千分之一毫米。微米大約相當於細菌和細胞的大小尺度,但病毒還要比這尺度小數十倍。

[2] 小於一微米的粒子稱為亞微米粒子 submicron particles,它們受氣流和隨機的布朗運動 Brownian motion 的影響很大。N95級數的口罩利用靜電濾網 electret filter,能有效吸引及捕捉這些微粒,效果比普通外科口罩纖維上的靜電好。

[3] qmask.gov.hk 網站不斷更新

[4] ASTM F2100-19 Level 1 的標準是兩個過濾率PFE 和 BFE 都應該在 95% 或以上。

[5] 壓力差空氣透過口罩後的氣壓下降多少,如果氣壓下降越大,代表口罩越不透氣,所以這個數字是細比較好。壓力差以 mm H₂O / cm² 量度,ASTM F2100-19 Level 1 的標準是壓力差須要在 5 或以下。

[6] 例如 Metallic Copper as an Antimicrobial Surface, Gregor Grass etal., Appl. Environ. Microbiol. Vol. 77, No. 5, p. 1541–1547 (2011)

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資料/圖片來源:湯博士的物理空間

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