728. N95口罩核心技術發明人蔡秉燚/04/2020

【跨國專訪】N95口罩核心技術發明人蔡秉燚 求知若渴,博士班狂修500個學分

林佳誼
2020-04-09

本周,一篇N95口罩發明人來自台灣的文章瘋傳全台。《天下雜誌》找到這位核心技術發明人,他求知若渴的故事,更令人動容。

新冠疫情讓口罩成為全球戰備物資,尤其N95口罩更是各國醫護人員保命關鍵。一篇N95口罩技術發明人來自台灣的文章,過去幾天瘋傳全台。

《天下雜誌》找到這位N95核心技術的發明人、去年剛從美國田納西大學退休的教授Peter Tsai(蔡秉燚),進行越洋視訊採訪,才發現他不僅來自台灣,更與台灣紡織業有著千絲萬縷的牽繫。

擁有全世界12項專利、同時曾任多達170幾家公司顧問的蔡秉燚,其實來自台中清水農家。

接受專訪時說,農家出身的他,小時得幫家裡賺錢,沒有太多時間念書,清水高中畢業後,便選擇就讀台北工專纖維科化纖組。想法很單純,就是希望學個一技之長。

民國64年從台北工專畢業,蔡秉燚趕上台灣紡織業蓬勃發展的黃金年代,當時紡織業出口值高過電子業,一技之長確實讓他很快找到第一份工作,在紡織研究中心(即後來的紡織產業綜合研究所)為工業局做整個紡織行業的品質管制的管理,隨後又到業界一家染整廠任職。

 

不想只知道怎麼生產,決定出國讀書

然而一段時間下來,他逐漸認知到,台灣紡織產業的設備、技術都來自於歐美或日本,本地只知道怎麼生產,對於技術背後的原理卻了解不深,也沒有太多研發,工作內容非常固定規律。久而久之,他萌生了一股強烈的求知慾。

「當時一直在做,但是道理都不太知道,沒有辦法滿足你的心靈需求。你想要知道到底是什麼?到底為什麼他要這樣做?」蔡秉燚說,「所以我就一個念頭,應該到美國去好好學習,把這些道理都弄懂。」

來自台灣中部的他,也選擇落腳美國中部。「我到美國以後就重新開始,用一些台北工專學的底子,然後再擴大、再扎實、再深入,」蔡秉燚說。

他在堪薩斯州立大學(Kansas State University),重新開始學習數理學術基本工,不僅學工程,也到數學系修課、擔任助教,目標是打好數理基礎,工程各方面學問就可以鑽研更深。

 

別人博士班修90個學分,他修500個

數理底子練好了,卻仍填不滿他瘋狂的求知慾。他到處修課,包含電機、機械、化工、物理,儘管本科是材料工程,但只要他感興趣的,就一股腦全選修。別人博士班只要90個學分,他卻足足修了驚人的約500個學分,相當於可唸5個博士。

直到他終於感覺到自己基本知識足夠了,正好指導教授到田納西大學研究熔噴製程,他也追隨前往,一腳踩進纖維材料技術研發領域,就是35年時間。

問他為何求知若渴至此?

蔡秉燚說,「當時也沒有太多想法,只是有一股勁一直想要學習,一直學,學了很多,也花了很長時間。」然而,當他把這些博士班課程全學過,真正應用時就發揮功能,也成就日後N95口罩的誕生。

嚴格來說,蔡秉燚發明的不是N95口罩,而是口罩的核心中間層熔噴布的製程,這一製程運用到熔噴(melt blown)與靜電充電(electrostatic charging)兩個關鍵技術。

一方面通過熔噴(melt blown)工藝將纖維製成超細熔噴不織布(nonwoven fabrics),纖維細度可以達到約1~2微米,相當於人類毛髮的1/100。

另一方面則以靜電充電,將電荷嵌入纖維,形成駐極體(electret),使其可吸附捕捉病毒細菌,過濾效果可以提高10倍。

N95口罩技術發明人蔡秉燚展示經過靜電充電的不織布,會呈現極易黏附的特性。(林佳誼攝)

 

N95是跨學科發明

熔噴與靜電充電技術牽涉理工工程與材料開發領域,正因蔡秉燚涉獵廣泛,又能將所學融合,一個人同時解決不織布熔噴工藝,以及纖維駐極處理的問題,才協助所在的田納西大學研究團隊將技術開發成功,他也因此在2006年首度獲頒田納西大學極負盛名的惠利獎(B. Otto and Kathleen Wheeley Award)。

田大設立惠利獎的初衷,是旨在表彰做出卓越產業化研究貢獻的教職員,這也是蔡秉燚投注極大力氣之所在。由於在熔噴與靜電充電技術是世界權威,蔡秉燚從很早開始,就通過田大向全世界轉移技術,在各國推廣。

最初是美國,後來延伸到整個北美、歐洲,以及亞洲、澳洲,都有他的客戶。他也經常與台灣廠商在世界各地相遇,本次口罩國家隊的台灣業者,有不少就是他的多年好友。

2006年蔡秉燚首度獲頒田納西大學惠利獎。(圖片來源:UTRF)

蔡秉燚告訴《天下》,今日N95口罩普遍運用的靜電充電技術,是他在1990年代初期就已發明不織布電暈靜電荷加電(corona electrostatic charging)。

當時研究團隊試過各種不同方式、各種不同電極結構,來為纖維充電,直到最後才找到電暈加電方式,經過極高的電場將游離的空氣加速,再加進纖維使其帶電。

通過這一製程生產出來的不織布,過濾效果是原來10倍,且織品厚薄適中,所以不僅是N95口罩,一般醫療口罩也廣泛運用。

 

退休前一年,還發明了新專利

而蔡秉燚仍不滿足,持續鑽研靜電充電技術,2018年又近一步研發出「水力摩擦帶電」(hydro triboelectrification)技術,以超純水浸透不織布,再用高壓真空將水抽去,經由此過程產生摩擦,並將靜電荷更高效地傳遞到織物纖維上。此一技術可使織物過濾效果提升20倍,等於較先前的電暈加電又增加了一倍的效果。

蔡秉燚表示,目前水力摩擦帶電技術較多用於空氣清淨機的高效濾網,也就是一般所謂的HEPA濾網(High-Efficiency Particulate Air),因為空氣清淨機為求降噪,對空氣阻力要求更高,所以更快採用水力摩擦技術。

未來若廣泛應用在N95口罩上,不織布阻力可降低一半就能達到同樣過濾效果,那麼就能減輕醫護人員長時間配戴的不適感。

先進材料製程開發是一個漫長的過程,反覆無數次的實驗與失敗是司空見慣,之所以能夠成功,往往是仰賴的科學家一股對知識近乎純粹的追求。這一點在蔡秉燚身上展露無遺。去年剛退休的他也因新發明,又在年底二度獲頒惠利獎,寫下田大有史以來唯一第二次拿該奬的紀錄。

沒料到,退休不過幾個月時間,就因為新冠疫情席捲全世界讓他一夕爆紅,他也理所當然退而不休,繼續研究如何提高口罩重複使用效率,不斷寫文章、接受採訪,到處科普口罩知識。

接受《天下》採訪這天,他一晚就接了好幾個電話。這股旺盛熱誠,與40年前他到美國的瘋狂求知與熱度似無二致,只是當年是收,如今是給。

在專訪的最後,蔡秉燚突然拜託《天下》記者一件事,他最近很關心衛福部教大家乾蒸口罩會不會影響口罩效能。他呼籲:「衛福部如果有電鍋蒸口罩的實驗數據,要趕快分享。」(責任編輯:吳凱琳)

N95口罩技術發明人蔡秉燚展示新版口罩研發樣品。 圖片來源:林佳誼攝

 

Source from CommonWealth Magazine (天下雜誌)

Posted in 04/2020

 

For more information: 2252. Dr. Peter Tsai 蔡秉燚博士/04/2020