導讀：家庭使用醫用口罩存在“少時多次”的特點，如何給口罩消毒是每個家庭急需解決的問題。採用水煮內含口罩的密封玻璃杯，是一種可行又簡便的方法。但是，選用什麼樣的玻璃杯，水煮多長的時間，尚未有人給出明確的答案。由於密封玻璃杯較易發生安全性問題，因此此類問題的解決就 變得尤為重要。
1、引言
新冠肺炎疫情爆發已經一月有餘，給我們生活工作帶來了巨大的影響。目前，我國疫情已經得到了有效的控制，鍾南山院士預測四月底可徹底結束，大約還有兩個月的時間。隨著疫情的控制，復工復產開始緊鑼密鼓起來。這也就意味著，口罩在可預見的未來，依然是緊缺的易耗用品。
N95口罩
大家都知道，N95口罩是指對0.3微米顆粒的過濾效率高於95%的口罩，此類口罩可有效過濾病毒。但是，對於普通人來講，不在病毒紛飛的環境中，無需N95口罩，普通的醫用口罩即可，它可以阻擋直徑大於4微米的顆粒，而病毒所依附的飛沫直徑約5微米。不管是N95口罩還是普通外科口罩，其核心的過濾層都是聚丙烯材料經熔噴後駐極處理而成（醫用口罩）。這也是醫用口罩過濾效率強於普通口罩的根本原因，詳見： 。
駐極處理
在家庭使用醫用口罩的過程中，都會備有這樣一個口罩，只做臨時出門之用，如取個快遞，去個超市等等，單次使用時間不超過半小時。針對這種口罩，棄之實在可惜，感覺沒有充分發揮其作用，而再次使用卻又擔心病毒依附其上。於是，網絡上出現大量針對此類用途口罩的重複利用措施。比如，微波爐（聚丙烯對微波無感），烤箱（溫度過高聚丙烯融化），水煮（破壞駐極）。事實上，沸水產生的高溫確實可以殺死病毒，也不會由於溫度過高而融化聚丙烯，只需要保證沸水不沾口罩即可。於是，通過水煮內含口罩的密封玻璃瓶是個可行的家庭版消毒方法。
密封玻璃瓶
但是，密封容器加熱後容易導致內壓過大而發生爆炸，有較大的安全隱患，選擇合適厚度的玻璃瓶就顯得非常重要。另外，空氣的導熱係數較低，熱量由沸水傳遞到玻璃，再傳遞到空氣，最後再傳遞到口罩都需要時間，合適的水煮時間方才可以徹底滅活病毒。本文就基於熱傳導和熱應力分析，探討一下上述兩個問題。
2、模型概述
水煮內含口罩的密封玻璃杯（以下簡稱：水煮口罩）實際模型如下，通過水煮密封玻璃瓶的方式，加熱瓶內的綠色口罩。完整又精確地分析這個模型的話，是存在一定難度的。這裡存在著固體和液體的熱交換，而且沸水的過程也是一個混亂的過程。
水煮口罩模型描述
為了簡化問題，可以分解為以下幾個子問題，我們假設各個過程互不干涉。其中，水的加熱過程，就是我們日常煮水的過程，具體的加熱時間根據水量和燃氣大小而定，通常在10分鐘左右。
- 水的加熱過程；
- 玻璃瓶的溫升過程；
- 玻璃瓶內空氣的溫升過程；
- 口罩的溫升過程。
3、玻璃瓶的溫升過程——防爆玻璃瓶的選擇
在水被煮沸的過程中，我們假設玻璃瓶始終浸沒水中，從水沸騰開始，玻璃瓶外圍四周始終處於100℃的高溫環境中。不考慮玻璃瓶與水一起共熱的過程，假設沸水以後，再浸入密封的常溫（25℃）玻璃瓶。玻璃是個易碎的脆性材料，我們
只考慮它的線彈性。其彈性模量約72e9Pa，泊松比0.2，熱膨脹係數1e-5m/K，熱傳導率1.09W/(m·K)，密度2500kg/m3，比熱790J /(kgK)。玻璃的熱量由水傳入，沸水的熱交換系數約2500W/m2/K。由於玻璃瓶是密封的狀態，加熱後瓶內的氣壓會顯著增大，假設為理想氣體。瓶內氣體溫度升高，體積保持不變。根據理想氣體狀態方程，瓶內空氣從常溫常壓（25℃，1atm）變化到100℃，1.25atm，即0.13MPa。這個氣壓並不大，是標準氣壓的1.25倍。
等容過程氣壓變化
利用有限元軟件，進行簡單的設置就可以計算了。這裡要說明的是沸水的熱交換系數，這個係數較大，表明水的熱量能夠較快地傳遞給玻璃。還記得前段時間我計算過桑拿房內人體的溫升問題（詳見： ），有人就舉例煮肉根本不需要這麼久的時間，實際上根本原因在於空氣的熱交換系數（8）沸水的熱交換系數（2500）不一樣。
53s時的溫度分佈
啤酒瓶的最小厚度是2mm，我們就以2mm為依據進行計算。53s的時候，玻璃瓶已經整體達到了100℃。三個方向的正應力較大的39.6MPa，剪切應力15.7MPa，普通玻璃的拉伸強度大概19-30MPa。所以，如果是普通玻璃，2mm厚度是存在安全隱患的。鋼化玻璃強度是普通玻璃的5-10倍，2mm的鋼化玻璃安全性能要好很多。
玻璃瓶的應力分佈
水煮口罩千萬不可以選用普通的玻璃瓶，即使是啤酒瓶也是不安全的。那種耐熱的玻璃飯盒恰好可以，其厚度大概4mm，雖然溫升隨著厚度的增加變慢了許多（約1.5分鐘），但是應力約在10MPa左右，再加上這種耐熱玻璃也非普通玻璃，強度要高很多。所以，市面所售的4mm密封玻璃盒是安全的。關於玻璃的熱應力分析可以參考： 。
密封的耐熱玻璃
4、瓶內空氣的溫升過程
瓶內空氣的溫度變化較為複雜，內部氣體的傳熱存在熱傳導、熱輻射和熱對流。常溫下空氣的導熱係數為0.0267W/m/K，100℃是約為0.0321W/m/K，是個非常小的數（玻璃約1.09），這說明空氣本身不易傳熱。但是，空氣的流動性帶來的熱對流會使得空氣的表現導熱係數增大不少。由於找不到對應的數據，我們取空氣的表現導熱係數為導熱係數的10倍，即0.267-0.321W/m/K。玻璃的熱量傳遞給空氣，與水浴的2500不一樣，其值要小很對，取8W/m2/K。
瓶內空氣的溫度變化
計算表明，53s後，玻璃瓶內的空氣已經全部達到100℃了，即一分鐘左右。必須說明的是，這裡的計算模型是一種簡化模型，準確的時間需要用CFD來計算。不多，大體上的時間差不了多少。
5、口罩的溫升過程
口罩較薄，其厚度約1mm，通常有三層，在這裡，為了簡化問題，全部採用聚丙烯變成三合一結構。口罩中的聚丙烯是熔噴而成的，並非實體，所以口罩的熱傳導係數要比聚丙烯大一些，假設是五倍，即1.1W/m/K，比熱容1883。計算結果表明，在1020s（17分鐘）的時候，口罩溫度已經達到了100攝氏度。圖示是假設口罩捲曲，好方便利用軸對稱模型分析。
聚丙烯口罩的溫度變化
6、整體分析
上述分析將熱量的傳遞過程分解開來，默認熱量從100℃的高溫傳遞到常溫的物體。實際情況卻是玻璃瓶內的所有物體同時開始升溫的，並不是等到外層100℃才開始向內傳熱。所以，上述分析所計算的溫升時間（總時間約19.5分鐘）其實是略長的。
整體分析後的溫度變化
為了更加接近實際情況，將玻璃、空氣、口罩整合在一起進行分析，555s以後，整體的溫度都達到了100℃，即9分多種，密封瓶內的口罩即可達到100℃。
溫升過程動圖
在50s的時候，口罩溫度已經達到了57℃，此時開始的高溫就已經開始可以殺毒了。也就是說，在水煮沸之後，約50s開始，口罩溫度已經到達了殺滅新冠病毒的溫度，隨後再煮半小時即可徹底殺死病毒。總的殺毒時間約為45分鐘。
7、總結
家庭使用口罩總會出現“少時多次”的現象，如何最大限度地不影響醫用口罩的過濾性能，又能重複利用是每個家庭都會遇到的問題。本文基於熱應力和熱傳導分析，給出了一種高溫殺毒的可行方法——水煮內含口罩的密封玻璃瓶。分析表明，採用4mm厚度的密封玻璃盒完全可以承受溫升過程中的內壓增大，而水煮時間至少需要45分鐘的時間。
閱讀更多 力學Nerd王小胖 的文章
