コロナ下で不足するN95マスクの再利用手法を開発

静電気体験装置でマスクの静電気を復活させ、フィルター能力を回復

2020-12-17 東京大学

○発表者：
杉原　加織（東京大学生産技術研究所講師）

○発表のポイント：
◆洗浄により一度失われたN95マスクの静電気をリチャージする手法を開発した。
◆ヴァンデグラフ起電機という、科学博物館などでよく見られる安価で安全な装置を用いる。
◆コロナ下で供給不足のN95マスクを含めたポリプロピレンフィルターの再利用の可能性を示唆するものである。

○発表概要：
コロナ感染症で使用されているN95マスクは、ポリプロピレンに帯電した静電気によりくしゃみなどの飛沫を捉えることでウィルスをフィルターする。世界中の医療機関での不足により再利用方法が検討されてきたが、アルコールの噴霧、洗浄、煮沸、オートクレーブ（高温高圧下での除菌）などの一般的なウィルス不活性化手法を用いた再利用はそのままでは使えない。何故なら、静電気は水や湿気に弱いため、これらの手法は静電気を減少させフィルター効果を低下させてしまうからである。
東京大学生産技術研究所の杉原加織講師らの研究グループは、一度失われたN95マスクの静電気をヴァンデグラフ起電機と呼ばれる安価で安全な装置を用いてリチャージする手法を開発した。ヴァンデグラフ起電機は科学博物館などによく展示されている、静電気のデモンストレーションに使用される器具であり、１００キロボルト程度の高電圧を発生することができるにもかかわらず、実際に触ることで静電気を体験できる安全な装置である。この手法でリチャージされたマスクはフィルター能力も回復するため、この結果はN95マスクを含めポリプロピレンフィルターの再利用の可能性を示唆するものである。
ヴァンデグラフ起電機を用いたN95マスクのリチャージに関する研究成果は、２０２０年１２月１７日にRoyal Society of Chemistryによる「Soft Matter」に掲載された。

○発表内容：
＜研究背景＞
N95マスクはメルトブローと呼ばれる手法で作成される、静電気を帯びたポリプロピレン・マイクロファイバーが主原料となっている。このポリプロピレン・マイクロファイバーはメッシュの穴の大きさは数マイクロメートル程度であるため通気性があり、マスクに加工した場合はこの素材を通して息をすることが可能であるが、くしゃみをした時の飛沫のような穴の大きさより小さい粒子も捉えることができる。その理由は静電気にある。飛沫は多くの場合帯電しているため、ポリプロピレンの電荷と相互作用し、吸着などによりフィルターすることができる。コロナ感染症の第一波が来た時は、世界中でN95マスクが不足し問題となった。特に日本は国内で製造できる箇所が限られておりマスクを輸入に頼っているため、過度な供給不足が発生した。この問題を受け、世界中の研究機関がN95マスクの再利用方法について研究を報告しているが、静電気を保ちつつウィルスを不活性化させる最適な方法はまだ見つかっていない。

＜研究内容＞
東京大学生産技術研究所の杉原加織講師らの研究グループは、煮沸などにより一度失われた静電気をヴァンデグラフ起電機と呼ばれる安価で安全な装置を用いてリチャージする手法を開発した。

１. マスクの電荷を測定するための器具を作成
N95マスクは一般的に三枚構造をしており、ポリプロピレン・マイクロファイバーが保護膜により挟まれている（図１a）。マスクの静電気とは、正確にはマスクに帯電している電荷のことであるが、電位測定器という装置を用いてその電荷が作る電位を測定することで強さを調べることができる。電位測定器はマスクとセンサの距離を一定にして測定する必要があるため、この距離を固定する器具を作成した（図１b）。

２. 医療機関で一般的に使われているウィスル不活性化手法を用いた場合、マスクの帯電が減少することを確認
この器具を用いてマスクの静電気を測定したところ、製造会社や保存方法などで差が見られるものの、ポリプロピレンの表面には負の帯電が見られた（図２before）。これらのマスクを、使用後の再利用を再現するために、オートクレーブ（図２autoclaved）、洗浄（図２washed with detergent）、煮沸（図２heated in boiling water）などの手法を用いて滅菌（ウィルス不活性化）すると、静電気が落ちる様子が観測された。

３. ヴァンデグラフ起電機を用いて静電気を復活させることでフィルター能力も回復することを発見
このようなウィルス不活性化の過程で一度失われたマスクの静電気をヴァンデグラフ起電機を用いてリチャージすることを試みた。ヴァンデグラフ起電機は、内蔵されるモータがベルトを回すことで摩擦に起因する静電気を作り出し、大きな金属の球に負の電荷を、小さな金属の球に正の電荷を貯める装置である（図３左図）。その二つの球の間にマスクを挟み放電させることで静電気をマスクに移すことができる。この手法でリチャージすることにより、一度はほぼ完全に失われたマスクの静電気が復活することを発見した（図３右図）。これによりフィルター能力も回復することが確認できている。煮沸の時のマスクの変形などまだ課題は残るものの、この発見により安全、安価にN95マスクを再利用する方法が確立できる可能性がある。

＜今後の予定＞
ポリプロピレン・マイクロファイバーはマスク以外にも様々なフィルターとして例えば空気清浄機などに使用されている。今後は、ヴァンデグラフ起電機を用いたポリプロピレン・マイクロファイバーの再利用手法を、マスク以外にも他の分野で応用することで、ゴミを減らし素材の再利用を促すようなサステイナブルな技術を提供していきたいと考えている。

○発表雑誌：
雑誌名：「Soft Matter」（２０２０年１２月１７日公開）
論文タイトル：Recharging N95 masks by van de Graaff generator for safe recycling
著者：Kaori Sugihara
DOI：10.1039/d0sm02004d

○問い合わせ先：
東京大学生産技術研究所
講師　杉原　加織（すぎはらかおり）

○添付資料：

図１：（a）N95マスクの構造。（b）ポリプロピレンの静電気を測定するためのセットアップ。

図２：図１の（a）に示すレイヤー表面の静電気分布。ポリプロピレンの表面（surface 3, 4）に特に強い静電気が見られる（before）。オートクレーブ（autoclaved）、洗浄（washed with detergent）、煮沸（heated in boiling water）などのウィルス不活性化手法はこの静電気を変化させることが分かる。