社區大學SARS資訊網•sars.bamboo.hc.edu.tw
2003/05/14
本文從過濾學原理出發，推出以下結論：（1）口罩與臉部密貼良好且口罩未濕透的前提下，N95口罩對顆粒大於5微米的飛沫可以過濾99％以上；而且，即使是對小於0.1微米的病毒或懸浮顆粒，N95的過濾效率仍舊在95％左右或更高。（2）當口罩濕透時，前述口罩過濾原理會失效；當口罩是用手擠壓而濕透時，病毒可能會隨飛沫達到口、鼻部位。（3）N95口罩若不能保持與臉部的密貼，空氣將由口罩側面滲入，嚴重減損其過濾效能。
關鍵字：口罩、過濾效能、病毒
關於SARS病毒的傳播方式，最主要的是飛沫傳染。此外，最近英國針胳刺醫學期刊（Lancet Medical Journal）刊載了香港醫院管理局的調查報告指出：有鑑於使用口罩能高度預防病毒，而且沒有使用口罩的醫護人員中有三成沒有感染SARS，因此足以顯示SARS是飛沫感染而非空氣傳染。此外，這篇文章還指出：69位有徹底執行戴口罩、穿預防袍、戴手術手套、勤洗手等四項預防措施的醫護人員中，沒有一位感染SARS。因此，這篇文章建議：只要徹底隔絕掉飛沫傳染與接觸傳染的途徑，就可以有效防止SARS。
本文作者曾在網路上發表一篇著作《SARS防護口罩與預防措施》[1]，說明戴口罩確實可以防止飛沫傳染，本文將進一步申述：即使雜質或病毒的顆粒小於0.1微米，口罩也可以有效地加以過濾。這個觀念與一般常識相反，但卻是可以由成熟的學理和實驗證實。此外，本文也將指出實際應用上會減損口罩過濾效能的主要因素，以利活用。
在介紹這門學理之前，先介紹一張用實驗方法測得的各種常見口罩實際性能圖（見圖一）。這張圖是我國勞工安全衛生研究所的實際測試結果。縱軸是不同口罩對於空氣中微粒的過濾效率，橫軸數據是實驗中所使用的微粒直徑，使用的是對數刻度（log scale）。
微粒直徑（微米）
圖一：各種常見口罩的過濾性能曲線圖
現在，讓我們先看空氣中雜質顆粒大於1微米時的口罩過濾性能曲線。所有曲線都向右上方攀升，表示：「雜質顆粒愈大，所有口罩的過濾性能都愈強」。這符合我們一般的常識觀點。再來看空氣中雜質顆粒小於0.1微米時的口罩過濾性能曲線。所有曲線都向左上方攀升，表示：「雜質顆粒愈小，所有口罩的過濾性能都愈強」。這違反我們一般的常識觀點，但是卻有著氣膠學的嚴謹原理在支持 [2]。
根據氣膠學原理，影響口罩的過濾效能是五個效應的總成，其中三個是對越大的懸浮顆粒效果越好：（1）攔截效應（Interception），意指雜質直接被口罩的纖維攔截住。（2）慣性撞擊（Inertial Impaction）效應。（3）質量間的引力吸引效應（Gravitational Settling），這個效應跟萬有引力一樣。以上三個效應說明了右半邊曲線攀升的原理。
另外還有兩個效應，在雜質大的時候不明顯，但是雜質小的時候卻愈來愈明顯。它們是：（4）布朗運動的擴散效應（Brownian Diffusion），這個效應就是，跟花粉粒一樣，微小顆粒在空氣中會被空氣撞擊而到處進行激烈的曲折運動。這種效應對越小的粒子越明顯。因此，當空氣中懸浮的顆粒直徑愈小時，它在空氣中的運動路徑愈曲折，也就愈有機會自己去撞上口罩的纖維而被捕獲。這個效應說明了曲線左半部向上攀升的趨勢。此外，（5）雜質與口罩纖維間的靜電吸引力也是對越小越輕的粒子越明顯，因此極小微粒在布朗運動時甚至不需要直接撞擊到口罩纖維，就可以被靜電力吸引過去。這也增加了口罩對微小顆粒的過濾能力。
參考圖一，當雜質顆粒從5微米開始變小的時候，前三項過濾效率明顯減弱，但是後面兩項過濾效率卻還是增加得不夠明顯，因此口罩的總體過濾效率開始下降。當雜質顆粒小到0.3微米左右的時候，前三項過濾係效應繼續減弱，但是後面兩項過濾係效應卻明顯地增加，因此口罩的總體過濾效率開始上升。當雜質顆粒在0.1微米到0.6微米之間時，五種過濾效應的總成剛好是最差的，這時候的雜質尺寸叫做「最容易貫穿的顆粒尺寸(Most Penetrating Particle Size)」。所以，無論是美規的 NIOSH 標準或歐規的EN149標準，都是針對這範圍內的口罩過濾功能加以規範，以測試口罩在最糟情況下的過濾效能。
美國用來檢驗口罩等級的規範是由美國職業安全衛生研究所（NIOSH）制定與頒佈的，主要的相關標準是：（1）1995年6月8日公布的測試標準42CFR84 [3]，和（2）口罩的修正規範 [4]。
因為口罩對0.1微米到0.6微米的懸浮顆粒過濾能力最差，因此NIOSH和歐規的的測試標準都是針對這個最惡劣的條件來測試口罩的過濾能力。美規與歐規測試時所採用的都是0.3微米的食鹽顆粒，測試時的流量標準為85L/min（NIOSH標準）或95 L/min（歐規標準）。在這測試條件下，N100、N99、N95口罩的過濾能力分別不能低於99.7％、99％ 和95%。
根據圖一的口罩性能曲線圖，雖然N95過濾效能在微粒直徑為0.1微米時最差，也還是有93％∼94％ 的過濾能力。因此，我們可以說：不管空氣中的懸浮顆粒直徑有多大，大致上N95、N99、N100都至少有95％、97％、99.7％的過濾能力。也就是說，即使是對於像冠狀病毒這樣小的顆粒（0.08∼0.14微米），N95也有95％左右的過濾能力。
此外，根據圖一的口罩過濾性能曲線圖，外科手術口罩可以有效過濾99％∼100％的五微米以上飛沫；即使是對於跟SARS病毒一樣大小的懸浮顆粒，外科手術口罩也可以有70％左右的過濾能力。
不過，前述口罩性能測試有兩個重要的前提：（1）微小雜質是懸浮在空氣中，所以布朗運動的擴散效應可以明顯地提升口罩的過濾能力，（2）假定口罩與臉部緊密貼合，因此可以不計從口罩邊緣洩漏的量。
第一個假設在口罩保持乾燥時成立，但是在口罩濕透的時候顯然不成立。假如口罩只是在外表層沾濕，這些沾濕的部分有可能提供了對懸浮顆粒更有效的攔截作用。但是，當口罩是被擠壓而濕透的時候，原本被口罩纖維所捕捉的飛沫、水滴與懸浮顆粒等，會帶著病毒穿透口罩，到達口鼻部位。因此，即使是使用N100口罩，假如口罩表面已經沾滿帶有SARS病毒的飛沫、水滴等懸浮顆粒時，絕對嚴禁用手去碰觸或擠壓口罩，以防口罩被壓擠濕透，而病毒隨飛沫與水滴抵達口鼻部位。
第二個假設在實際應用上很難完全成立，因為口罩供應商不管如何嚴格控管產品，最難控制的是：人的臉型千變萬化，很難有任何大量生產的產品可以完全密貼每一個使用者的臉龐。因此，對於N95以上等級的口罩，洩漏（leakage）往往是明顯減損口罩功能的主要關鍵因素。
3M的一份刊物在2002年時引述美國職業安全衛生研究所（NIOSH）的調查報告說，NIOSH就1998年美國市面上的N95口罩進行試驗，結果只有45％的產品能和人的臉龐達到規定的密貼程度 [5]。
因此，選擇與使用口罩時不能只注意到口罩材料的過濾性能，還必須要注意到戴口罩時臉部與口罩的密貼性。一般現場測試口罩密貼性的方式是：呼氣時不能感覺到有洩漏現象。但是，這個測試方法過度倚賴皮膚對氣流的感覺，可能不太可靠。另一個測試方法是：當口罩材料較薄且密貼性良好時，口罩應該會隨呼與吸的動作而往外擴張與往內收縮。尤其當使用者用手把鼻梁部位等的縫隙全部壓緊時，口罩的這個運動現象會最鮮明。根據這個運動的幅度，也可以有效判斷口罩是否隨時保持密貼。
N95與外科手術口罩確實可以有效過濾各種含有病毒之飛沫、水珠、液滴，乃至於直接過濾病毒。坊間所謂「病毒顆粒比口罩縫隙小」之傳聞，既昧於口罩之過濾原理，且無知於口罩在材質與結構上迥異於陶瓷材料等事實，實不足採信。
本文發展過程曾獲得兩位氣膠學專家李伯欣博士與李壽南博士之指正，以及數位朋友來函提供資訊，謹此一併致謝。
[1] 彭明輝,《SARS防護口罩與預防措施》, http://sars.bamboo.hc.edu.tw/masks.html
[2] K. T. Whitby and A. Lundgren, "Mechanics of Air Cleaning," Transactions of the ASAE, Vol. 8, No. 3, pp. 342-352, 1965.
[3] http://www.cdc.gov/niosh/respguid.html
[4] http://www.cdc.gov/niosh/pt84abs2.html
[5] "NIOSH cites poor fit of many current N95s, urges fit test change," 3M Job- Health Highlights, Volume 20, Number 1, pp. 1-2, 2002.
社區大學SARS資訊網
資訊提供：彭明輝
(社區大學全國促進會理事、清華大學動力機械系教授)
網站維護製作：新竹市青草湖社區大學、新竹市風城社區大學、新竹市香山社區大學
公共版權、社區服務，歡迎下載、複製、轉載、連結：http://sars.bamboo.hc.edu.tw/
歡迎批評與指正：mhperng@mx.nthu.edu.tw
(彭明輝)