救命的N95口罩，不為人知的華裔發明者
「利用蔡彼得的新方法所得到的帶電非織造布，過濾空氣中顆粒的能力強了10倍，還不會阻礙空氣流通，奠定了N95口罩的技術基石。去年，曾有人估計這項技術保護和改善了超過10億人的健康。」
圖源：pixabay.com
撰文| 劉迪一
責編| 李珊珊
新型冠狀肺炎全球蔓延，在尚無治療藥物的情況下，面對新冠病毒最為硬核的武器——N95口罩的發明者，一位硬核而低調的華裔工程師彼得·蔡，卻正在被「選擇性忘記」。
N95里的兩大關鍵技術
N95口罩里的N代表not resistant to oil，即：不防油；數字代表使用0.3微米顆粒進行測試時的過濾效率，95就是至少能過濾掉95%的流感病毒、灰塵、花粉、霧霾、以及煙塵等微小顆粒物。與醫用外科口罩類似，N95口罩的主體結構是由表層抗濕層、中間過濾吸附層以及內層貼膚層三部分組成，原材料均為高分子材料聚丙烯。
其中表層抗濕層和內層貼膚層大多都以紡粘非織造布和熱風非織造布為原料，此類非織造布的纖維直徑在15-40μm，透氣性出色，但幾乎沒有過濾能力，它們作為口罩的最外和最內層，主要目的在於定型和保護中間層的熔噴布。
口罩的三層結構，中間層為主要防護層
左右兩邊分別為口罩熔噴布和普通無紡布的纖維結構（放大100倍）
N95口罩中間層的熔噴布，便是體現它製造技術的核心，也正因如此，目前，熔噴布在市場上已被炒到了30多萬元1噸。
熔噴布的纖維（直徑為1-5μm）細密而錯雜地排列，可以說沒給粉塵、病毒與細菌微沫留任何進入的空檔，發揮著過濾與阻隔的核心作用，而這一功能的製造和實現，需得兩大硬核技術的支撐。
第一，熔噴布得用強健又精確的熔噴非織造工藝批量生產出來，要知道平均直徑＜5μm的超細纖維可不是拉麵，不是想拉就能拉的；
第二，拉出的熔噴布還得經過駐極處理，所謂的駐極處理是指讓纖維表面帶上大量靜電電荷，因為藉助靜電吸附作用來捕捉細微顆粒物是過濾防護的關鍵。
這項技術保護和改善了超過10億人的健康
今天，兩大核心技術的實現與普及幫助N95口罩走入千家萬戶，但在30年前，它們是很多研究者在實驗室里熬夜攻堅的對象。
美國華裔工程師蔡彼得（Peter Tsai）也是攻堅大軍里的其中之一。
這位蔡工程師在材料方面涉獵廣泛，他既研究熔噴非織造工藝，又解決駐極處理問題。
對於前者，他不斷嘗試優化熔噴工藝，推動其發展，到如今，人們可以直接利用一套成熟的方法，在高壓、高熱空氣下將聚合物牽伸成超細纖維。而在駐極處理技術方面，他的貢獻更是堪稱革命性。
首先，他利用電場使中性的空氣發生電離，產生帶相反電荷的離子和電子，然後通過電場和感應使非織造纖維帶上電。經過這種駐極處理的纖維便可以吸附各種妄圖穿過口罩的微小物體。
經過駐極處理的纖維吸附外來粒子的示意圖
依靠他的新方法所得到的帶電非織造布，相比不帶電的織物，過濾空氣中顆粒的能力強了10倍，而且還不會阻礙空氣流通。這種技術，成了N95口罩的技術基石。
1995年，蔡彼得獲得了5項美國專利，其中一項便是這個「口罩黑科技」。
這位N95口罩幕的後締造者在田納西大學工作超過了25個年頭，去年剛剛退休。作為一位非織造纖維領域的大牛，他目前擁有12個美國發明專利，超過20個商業產品授權，其技術被工業界廣泛使用了30多年，除了用在N95和醫用口罩上，還有HVAC空氣過濾器等產品。
田納西大學設有一個極負盛名的獎項——惠利獎（B. Otto and Kathleen Wheeley Award），旨在表彰那些做出了卓越產業化研究的教職工，而蔡彼得於2006年獲此殊榮。
值得一提的是，蔡彼得在2018年的時候還研發了一種通過摩擦將靜電荷安排到織物上的新方法。這個新技術使用超純水浸透無紡布，然後以高壓真空把水抽掉，這個被稱為「水力摩擦帶電」（hydro triboelectrification）的過程能產生摩擦並將電荷高效地傳遞到織物上，且無需重複，最後可以得到過濾效率比未處理的織物高20倍的無紡布。
田納西大學的副校長瑪哈·克里希那穆提（Maha Krishnamurthy）曾這樣評價蔡彼得：「他證明了我們學校的研究人員是怎樣建立並保持科研與產業間聯繫的，是怎樣將創新產品推向市場併產生巨大影響的。我們感謝他對研究的奉獻，以及對研究成果產業化的熱情和動力。」
去年曾有人估計蔡彼得研發的技術保護和改善了超過10億人的健康。而在COVID-19肆虐全球的眼下，或許我們都該對蔡師傅道一聲感謝。
參考資料：
[1]What you need to know about surgical masks, N95 respirators and coronavirus
[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]楊荊泉, 田濤. 駐極體過濾材料及其在空氣凈化領域的應用[J]. 環境與健康雜誌, 2009(08):89-91.
[5]黃海超, 宋國林, 唐國翌, et al. 駐極體-增塑劑複合改性聚乳酸熔噴非織造材料的製備及性能[J]. 複合材料學報, 2019, 36(03):25-33.
[6]何俊美,魏秋華,任哲,蘇裕心,楊華明.在新型冠狀病毒肺炎防控中口罩的選擇與使用[J].中國消毒學雜誌,2020,37(02):137-141.
《芥子須彌：大科學家的小故事》
作者：超模君
清華大學出版社
精選60位殿堂級數學、物理學家，用風趣幽默的語言講述他們的人生科學探索故事，讓我們立體地了解他們的人生，學習科學研究的方法，熟悉科學發展的脈絡，重溫科學發現的歷程。
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