Εισαγωγή
Μετά την παγκόσμια εξάπλωση του ιού SARS-CoV-2, η προστασία της μύτης από το στόμα έχει γίνει μέρος της καθημερινότητάς μας. Αρχικά, στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούνταν μπαντάνες, κασκόλ και υφασμάτινες μάσκες, αλλά λόγω της ταχείας εξάπλωσης του ιού, αντικαταστάθηκαν από ιατρικές μάσκες, όπως χειρουργικές ή FFP2 μάσκες. Μόλις φορεθεί η προστασία στόματος-μύτης, βρίσκεται συνεχώς στις αναπνευστικές ροές εισπνοής και εκπνοής του χρήστη. Η αναπνευστική ροή εκπνοής, ειδικότερα, είναι σχεδόν κορεσμένη, με υγρασία 98% κατά την εκπνοή [1]. Ως αποτέλεσμα, το υλικό της μάσκας υγραίνεται συνεχώς, μειώνοντας έτσι τη λειτουργία του φίλτρου. Επιπλέον, το υγρό περιβάλλον προάγει τον πολλαπλασιασμό επιβλαβών βακτηρίων και μυκήτων εντός του υλικού του φίλτρου και μπορεί να οδηγήσει σε μολυσματικές αναπνευστικές ασθένειες για τους χρήστες της μάσκας [2].
Στη συνέχεια, διερευνάται η ποσοτικοποίηση της απορρόφησης υγρασίας για την προστασία στόματος-μύτης σε συνάρτηση με το χρησιμοποιούμενο υλικό και ακολουθώντας τον συνιστώμενο χρόνο φθοράς για ημίμασκες σύμφωνα με τη γερμανική νομοθετική ασφάλιση ατυχημάτων [3]. Για το σκοπό αυτό, παρασκευάστηκε δείγμα τόσο από ύφασμα όσο και από μάσκα FFP2. Λόγω της αλλαγής από υφασμάτινες σε μάσκες FFP2, η δομή αλλάζει από μονοστρωματικό βαμβακερό ύφασμα σε πολυστρωματικό fleece. Μέσω θερμοβαρυτομετρικών μετρήσεων σε διαφορετικά επίπεδα περιεκτικότητας σε σχετική υγρασία, χαρακτηρίζεται η πιθανή απορρόφηση υγρασίας των διαφόρων τύπων μάσκας.
Συνθήκες μέτρησης
Για τις έρευνες, ένα STA 449 F3 Jupiter® με χάλκινο κλίβανο συνδέθηκε με τη γεννήτρια υγρασίας MHG 100. Δείγματα των επιμέρους υλικών της μάσκας (10 mm x 10 mm) παρασκευάστηκαν από το κεντρικό τμήμα (σχήμα 1) και τοποθετήθηκαν στο δίχτυ Pt/Ir (σχήμα 2) για τον προσδιορισμό των μεταβολών μάζας. Μέσω αυτού του φορέα δειγμάτων μπορούν να πραγματοποιηθούν θερμοβαρυμετρικές μετρήσεις στο STA. Δεν καταγράφονται ενδο- και εξώθερμες επιδράσεις. Επιπλέον, τα δείγματα ευθυγραμμίστηκαν με την εσωτερική πλευρά της μάσκας προς τη ροή υγρασίας, ώστε να μιμηθούν τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας τους.
Οι λεπτομερείς συνθήκες μέτρησης παρατίθενται στον πίνακα 1.
Το πρόγραμμα θερμοκρασίας καθορίστηκε σύμφωνα με τις έρευνες του Πανεπιστημίου Εφαρμοσμένων Επιστημών του Münster σχετικά με τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των μασκών FFP2. Το πρόγραμμα μέτρησης περιελάμβανε 5 κύκλους του προγράμματος θερμοκρασίας που παρουσιάζεται στον πίνακα 2.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Παράμετρος | Υφασμάτινη μάσκα | Μάσκα FFP2 |
| Μάζα δείγματος | 16.313 mg | 19.921 mg |
| Φούρνος | Χαλκός | |
| Υποδοχή δείγματος | Δειγματοφορέας TG, Pt/Ir 10 net | |
| Ατµόσφαιρα αερίου | Άζωτο | |
| Ροή αερίου | 20 ml/min | |
| Εξαρτήματα | Γεννήτρια υγρασίας MHG | |
Πίνακας 2: Πρόγραμμα θερμοκρασίας και ρύθμιση της υγρασίας των μετρήσεων
Μέτρηση τμήματα | Θερμοκρασία | Σχετική υγρασία | Χρόνος |
1 | 32°C | 40% | 60 λεπτά |
2 | 32°C | 90% | 60 λεπτά |
3 | 32°C | 40% | 60 λεπτά |
4 | 32°C → 80°C (10 K/min) | 40% → 2.6% | - |
5 | 80°C | 2.6% | 60 λεπτά |
6 | 80°C → 32°C (10 K/min) | 2,6 % → 40 % | - |
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται οι καμπύλες TGA που λαμβάνονται συναρτήσει της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας για τα δείγματα τόσο του υφάσματος όσο και των μασκών FFP2. Και τα δύο δείγματα παρουσιάζουν αύξηση της μάζας λόγω της αυξανόμενης σχετικής υγρασίας, με σημαντικά μεγαλύτερη αύξηση της μάζας για το δείγμα υφάσματος (μαύρο) από ό,τι για τη μάσκα FFP2 (πράσινο).
Εξετάζοντας πιο λεπτομερώς τα αποτελέσματα TGA του δείγματος της υφασμάτινης μάσκας (σχήμα 4), μπορεί να εντοπιστεί μια μέση αύξηση μάζας κατά 8% μετά την αύξηση της σχετικής υγρασίας από 40% σε 90% στους 32°C. Αυτό οφείλεται στην προσρόφηση νερού στο δείγμα. Όταν στη συνέχεια η σχετική υγρασία μειώνεται στο 40%, παραμένει ένα υπολειπόμενο φορτίο έως και 0,75%. Αυτή η συμπεριφορά απορρόφησης και εκρόφησης της υφασμάτινης μάσκας για τους 5 κύκλους που πραγματοποιήθηκαν είναι αναπαραγώγιμη και αναστρέψιμη.
Συγκριτικά, στο σχήμα 5 παρουσιάζεται η καμπύλη TGA που ελήφθη για το δείγμα της μάσκας FFP2. Όπως και η υφασμάτινη μάσκα, το υλικό αυτό παρουσιάζει επίσης αύξηση της μάζας μόλις η σχετική υγρασία αυξηθεί στο 80% στους 32°C. Ωστόσο, η αύξηση της μάζας είναι σημαντικά χαμηλότερη- είναι μόνο περίπου 0,2%. Η μείωση της περιεκτικότητας σε σχετική υγρασία στο 40% εξασφαλίζει την πλήρη απελευθέρωση της απορροφημένης υγρασίας. Σε αντίθεση με την υφασμάτινη μάσκα, δεν μπορεί να ανιχνευθεί σαφώς ένα υπολειμματικό φορτίο για το δείγμα της μάσκας FFP 2. Ως αποτέλεσμα, ακόμη και η αύξηση της θερμοκρασίας στους 80°C δεν προκαλεί περαιτέρω σημαντική μεταβολή της μάζας.
Περίληψη
Σύζευξη ενός STA 449 F3 Jupiter® εξοπλισμένου με χάλκινο κλίβανο με μια γεννήτρια υγρασίας προσφέρει τη δυνατότητα να αποκτήσει κανείς λεπτομερή εικόνα της μεταβολής της μάζας μιας μεγάλης ποικιλίας δειγμάτων σε συνάρτηση με μεταβλητά επίπεδα υγρασίας. Ενώ φοριέται προστασία στόματος-μύτης, εκτίθεται συνεχώς σε υγρό αναπνευστικό αέρα. Με τη διερεύνηση της μεταβολής της μάζας σε διαφορετικά επίπεδα περιεκτικότητας σε υγρασία, μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την ικανότητα απορρόφησης ή το υπολειπόμενο φορτίο υγρασίας των επιμέρους υλικών της μάσκας. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι η υφασμάτινη μάσκα απορροφά σημαντικά υψηλότερες ποσότητες υγρασίας από τη μάσκα FFP2 και εμφανίζει εναπομείναν φορτίο μετά τη μείωση της περιεκτικότητας σε υγρασία. Το χαμηλό φορτίο της μάσκας FFP2 μπορεί ενδεχομένως να εξηγηθεί από τα διαφορετικά στρώματα καθώς και από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη μάσκα FFP2. Είναι πιθανό τα επιμέρους στρώματα να διαθέτουν διαφορετικές ιδιότητες όσον αφορά την αντίδρασή τους με την υγρασία. Αυτός ο χαρακτηρισμός, ωστόσο, απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση.
Το δείγμα υφασμάτινης μάσκας παρουσιάζει ισχυρότερη διείσδυση υγρασίας, η οποία απελευθερώνεται στο σύνολό της μόνο σε αυξημένες θερμοκρασίες αποθήκευσης. Η επεξεργασία σε θερμοκρασία 80°C εξασφαλίζει επομένως την πλήρη ξήρανση της μάσκας και αποτρέπει επίσης την εξάπλωση βακτηρίων ή/και μυκήτων στο εσωτερικό του υφάσματος.