【N95 口罩發明人來自台灣】低調老紳士鑽研防護工藝,核心 2 技術打造「醫療口罩心臟」

【我們為什麼選擇這篇文章?】

N95 口罩能過濾至少 95% 的流感病毒、灰塵,在 SARS、新冠肺炎(武漢肺炎)疫情中,是所有醫護人員在抗疫前線最重要的保命盾。許多人不知道,N95 口罩的發明人是個台灣囡仔!

來自台灣的工程師蔡秉燚(ㄧˋ)(Peter Tsai)30 年前在美國開發 N95 口罩時,克服了多少困難才開發出「口罩之心」的關鍵技術?一起來看。(責任編輯:黃梅茹)

不織布公會 6 日在官網資訊分享,來自於台灣的美國工程師蔡秉燚(左)是 N95 口罩(右)的發明人。蔡秉燚在田納西大學材料科學系工作長達 35 年,日前已從學校退休。首圖來源:BO 編輯合圖()。

文/ 不織布工業同業公會

「利用 Peter Tsai 博士的新方法所得到的帶電不織布,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。 」

當川普使用「中國病毒」,美國境內的仇中情緒開始抬頭時,在尚無治療藥物的情況下,面對新冠病毒最為厲害的武器——N95 口罩的發明者,一位優秀而低調的台灣工程師 Peter Tsai 博士,卻被大家忘記了。

2 大關鍵技術讓 N95 顯隔絕神力

N95 口罩裡的 N 代表 not resistant to oil,即:不防油;數位代表使用 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不織布和熱風不織布為原料,此類不織布的纖維直徑在 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。

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,需得兩大核心技術的支撐。

第一,熔噴布得用穩定又精確的熔噴不織布工藝批量生產出來,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,因為借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 。

至今,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裡熬夜研發的項目。 美國台灣工程師蔡秉燚(Peter Tsai)也是研發大軍裡的其中之一。 Peter Tsai 博士在材料方面涉獵廣泛,他既研究熔噴不織布工藝,又解決駐極處理問題。

在熔噴不織布方面,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不織布纖維帶上電。經過這種駐極處理的纖維便可以吸附各種企圖穿過口罩的微小物體。

藉由他的方法所得到的帶電不織布,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。

蔡博士是不織布纖維領域先鋒,現擁有 12 項美國專利

1995 年,Peter Tsai 博士獲得了 5 項美國專利,其中一項便是這個「口罩黑科技」。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 Peter Tsai 博士於 2006 年獲此殊榮。

值得一提的是,Peter Tsai 博士在 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不織布,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 倍的不織布。

作為一位不織布纖維領域的先鋒,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 空氣篩檢程式等產品。這位 N95 口罩的幕後締造者在田納西大學工作長達 35 年,他將他的技術經田大智彗財產所轉移,並與之合作長達 25 年,去年剛剛退休,還在去年十二月因新發明,又拿到田大第二次惠利獎,取名為創新者名人奨,為田大有史以來唯一第二次拿該奬的人。

田納西大學的副校長瑪哈·克裡希那穆提(Maha Krishnamurthy)曾這樣評價 Peter Tsai 博士:「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並產生巨大影響的。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 Peter Tsai 博士研發的技術保護和改善了超過 10 億人的健康。而在 COVID-19 肆虐全球的當下,或許我們都該對 Peter Tsai 博士道一聲感謝,雖然這個低調的台灣老紳士幾乎不曾出現於正在熱烈探討「中國病毒」的美國媒體上。

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

[3]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淨化領域的應用 [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不織布材料的製備及性能 [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.

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(本文經原作者 台灣區不織布工業同業公會 授權轉載,並同意 BuzzOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈救命的 N95 口罩,不為人知的台灣發明者-Peter Tsai 博士 〉。首圖來源:BO 編輯合圖。)


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