Einleitung
Seit der weltweiten Ausbreitung des Corona-Virus SARSCOV- 2 ist der Mund-Nasen-Schutz Teil unseres täglichen Lebens geworden. Zunächst wurden Tücher, Schals und Stoffmasken im Alltag verwendet, jedoch aufgrund der rasanten Ausbreitung des Virus durch medizinische Masken, wie OP- oder FFP2-Masken, ersetzt. Sobald ein Mund-Nasen-Schutz angelegt wird, befindet er sich stets im Ein- und Ausatemstrom des Trägers. Vor allem die Expirationsluft ist beim Ausatmen mit einer Feuchtigkeit von 98 % nahezu gesättigt [1]. Infolgedessen wird das Maskenmaterial ständig befeuchtet, wodurch sich die Filterfunktion verringert. Ferner fördert die feuchte Umgebung die Vermehrung gesundheitsschädlicher Bakterien und Pilze innerhalb des Filtermaterials und kann zu infektiösen Atemwegserkrankungen der Maskenträger führen [2].
Im Folgenden wird die Quantifizierung der Feuchtigkeitsaufnahme des Mund-Nasen-Schutzes in Abhängigkeit des verwendeten Maskenmaterials sowie in Anlehnung an die empfohlene Tragezeit von Halbmasken laut der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung e.V. untersucht [3]. Hierfür wurde sowohl eine Probe aus einer Stoff- sowie einer FFP2-Maske präpariert. Durch den Wechsel von Stoff- zu FFP2-Masken ändert sich der Aufbau von einlagigem Baumwollstoff zu mehrlagigen Vliesen. Mittels thermogravimetrischer Messungen, bei variierenden relativen Feuchtegehalten, wird die mögliche Feuchtigkeitsaufnahme der unterschiedlichen Maskentypen charakterisiert.
Messbedingungen
Für die Untersuchungen wurde eine STA 449 F3 Jupiter® mit Kupferofen an den Feuchtegenerator MHG 100 gekoppelt. Proben der einzelnen Maskenmaterialen (10 mm x 10 mm) wurden aus dem Mittelteil präpariert (Abbildung 1) und auf das Pt/Ir-Netz (Abbildung 2) zu Bestimmung der Massenänderungen gelegt. Mit dieser Probenauflage können in der STA thermogravimetrische Messungen durchgeführt werden. Endo- und exotherme Effekte werden dabei nicht erfasst. Ferner wurden die Proben entsprechend ihrer realen Einsatzbedingungen mit der Maskeninnenseite zum Feuchtestrom ausgerichtet.
Die detaillierten Messbedingungen sind Tabelle 1 zu entnehmen.
Das Temperaturprogramm wurde in Anlehnung an die Untersuchungen der FH Münster bezüglich der Wiederverwendbarkeit von FFP2-Masken erstellt [4]. Das Messprogramm bestand aus 5 Zyklen des in Tabelle 2 gezeigten Temperaturprogramms.
Tabelle 1: Messbedingungen
| Parameter | Stoffmaske | FFP2-Maske |
| Probeneinwaage | 16,313 mg | 19,921 mg |
| Ofen | Kupfer | |
| Probenhalter | TG-Probenträger, Pt/Ir 10 Netz | |
| Gasatmosphäre | Stickstoff | |
| Durchflussrate | 20 ml/min | |
| Zubehör | MHG-Feuchtegenerator | |
Tabelle 2: Temperaturprogramm und Feuchteeinstellungen der Messungen
| Messsegmente | Temperatur | rel. Feuchtigkeit | Zeit |
1 | 32 °C | 40 % | 60 min |
2 | 32 °C | 90 % | 60 min |
3 | 32 °C | 40 % | 60 min |
4 | 32 °C → 80 °C (10 K/min) | 40 % → 2.6 % | - |
5 | 80 °C | 2.6 % | 60 min |
6 | 80 °C → 32 °C (10 K/min) | 2,6 % → 40 % | - |
Messergebnisse
Abbildung 3 zeigt die erhaltenen TG-Kurven in Abhängigkeit von der Temperatur und der relativen Feuchte für die Proben aus der Stoff- bzw. FFP2-Maske. Beide Proben weisen eine Massenzunahme infolge der ansteigenden relativen Feuchte auf, wobei die Massenzunahme für die Probe der Stoffmaske (schwarz) im Vergleich zur FFP2- Maske (grün) signifikant höher.
Bei detaillierter Betrachtung der TG-Ergebnisse der Stoffmaskenprobe (Abbildung 4) lässt sich infolge der Erhöhung der relativen Feuchtigkeit von 40 % auf 90 % bei 32 °C eine Massenzunahme von durchschnittlich 8 % detektieren. Dies ist auf die Adsorption des Wassers durch die Probe zurückzuführen. Bei der anschließenden Verringerung der relativen Feuchte auf 40 % bleibt eine Restbeladung von bis zu 0,75 % zurück. Erst durch die Temperaturerhöhung auf 80 °C wird die verbleibende Feuchtigkeit wieder komplett abgegeben. Dieses Absorptions- und Desorptionsverhalten der Stoffmaskenprobe für die durchgeführten 5 Zyklen ist wiederholbar und reversibel.
Im Vergleich dazu ist in Abbildung 5 die erhaltene TG-Kurve der Probe der FFP2-Maske dargestellt. Wie bereits die Stoffmaske zeigt auch dieses Material eine Massenzunahme, sobald der relative Feuchtegehalt bei 32 °C auf 80 % erhöht wird. Jedoch ist die Massenzunahme signifikant geringer und liegt nur bei etwa 0,2 %. Die Verringerung des relativen Feuchtegehalts auf 40 % sorgt für die vollständige Abgabe der absorbierten Feuchtigkeit. Eine Restbeladung lässt sich für die Probe der FFP2-Maske im Gegensatz zur Stoffmaske nicht eindeutig detektieren. Infolgedessen sorgt auch die Temperaturerhöhung auf 80 °C für keine weitere signifikante Massenänderung.
Zusammenfassung
Die Kopplung einer STA 449 F3 Jupiter® mit Kupferofen an einen Feuchtegenerator bietet die Möglichkeit, detaillierte Einblicke in die Massenänderung unterschiedlichster Proben in Abhängigkeit von variablen Feuchtegehalten zu erhalten. Während des Tragens eines Mund-Nasen-Schutzes wird dieser ständig der feuchten Expirationsluft ausgesetzt. Durch die Untersuchung der Massenänderung bei unterschiedlichen Feuchtegehalten lassen sich Aussagen über die Aufnahmefähigkeit bzw. Restbeladung von Feuchtigkeit der einzelnen Maskenmaterialien treffen. Die Ergebnisse lassen deutlich erkennen, dass die Stoffmaske gegenüber der FFP2-Maske signifikant höhere Mengen an Feuchtigkeit aufnimmt und eine Restbeladung nach Verringerung des Feuchtegehaltes aufzeigt. Die geringe Beladung der FFP2-Maske lässt sich möglicherweise durch die unterschiedlichen Schichten sowie der dort eingesetzten Materialien der FFP2-Masken erklären. Möglicherweise besitzen die einzelnen Schichten unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Reaktion mit Feuchtigkeit. Diese Charakterisierung bedarf jedoch weiterer Untersuchungen.
Die Probe der Stoffmaske zeigt eine stärkere Durchfeuchtung, die erst bei erhöhter Lagerungstemperatur vollständig abgegeben wird. Die Temperaturbehandlung bei 80 °C sorgt daher für die vollständige Trocknung der Stoffmaske und verhindert zudem die Ausbreitung von Bakterien und/oder Pilzen innerhalb des Gewebes.