Introduzione
Da quando si è diffuso in tutto il mondo il virus SARS-CoV-2, la protezione della bocca-naso è entrata a far parte della nostra vita quotidiana. Inizialmente nella vita di tutti i giorni si usavano bandane, sciarpe e maschere di stoffa, ma a causa della rapida diffusione del virus sono state sostituite da maschere mediche come quelle chirurgiche o FFP2. Una volta indossata, la protezione bocca-naso è costantemente presente nei flussi respiratori di inspirazione ed espirazione di chi la indossa. Il flusso respiratorio di espirazione, in particolare, è quasi saturo, con un'umidità del 98% durante l'espirazione [1]. Di conseguenza, il materiale della maschera si inumidisce continuamente, riducendo così la funzione di filtro. Inoltre, l'ambiente umido favorisce la proliferazione di batteri e funghi nocivi all'interno del materiale filtrante e può portare a malattie respiratorie infettive per i portatori di maschera [2].
Di seguito, viene analizzata la quantificazione dell'assorbimento di umidità per la protezione bocca-naso in funzione del materiale utilizzato e in base al tempo di utilizzo raccomandato per le semimaschere in conformità con l'assicurazione tedesca contro gli infortuni [3]. A tal fine, è stato preparato un campione sia da una maschera in tessuto che da una maschera FFP2. A causa del passaggio dal tessuto alle maschere FFP2, la struttura cambia da tessuto di cotone monostrato a pile multistrato. Mediante misure termogravimetriche a diversi livelli di umidità relativa, è stato caratterizzato il possibile assorbimento di umidità dei diversi tipi di maschera.
Condizioni di misura
Per le indagini, uno STA 449 F3 Jupiter® con forno in rame è stato accoppiato al generatore di umidità MHG 100. Campioni dei singoli materiali della maschera (10 mm x 10 mm) sono stati preparati dalla parte centrale (figura 1) e collocati sulla rete Pt/Ir (figura 2) per la determinazione delle variazioni di massa. Grazie a questo supporto per campioni, le misure termogravimetriche possono essere eseguite nello STA. Gli effetti endotermici ed esotermici non vengono registrati. Inoltre, i campioni sono stati allineati con il lato interno della maschera rivolto verso il flusso di umidità, in modo da imitare le condizioni operative reali.
Le condizioni di misurazione dettagliate sono elencate nella tabella 1.
Il programma di temperatura è stato stabilito in conformità con le ricerche dell'Università di Scienze Applicate di Münster sulla riutilizzabilità delle maschere FFP2. Il programma di misurazione comprendeva 5 cicli del programma di temperatura indicato nella tabella 2.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Parametro | Panno Maschera | Maschera FFP2 |
| Massa del campione | 16.313 mg | 19.921 mg |
| Forno | In rame | |
| Supporto del campione | Portacampioni TG, Pt/Ir 10 netti | |
| Atmosfera di gas | Azoto | |
| Portata del gas | 20 ml/min | |
| Accessori | Generatore di umidità MHG | |
Tabella 2: Programma di temperatura e regolazione dell'umidità delle misure
Misura segmenti | Temperatura | Umidità relativa | Tempo |
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 % | - |
Risultati della misurazione
La Figura 3 mostra le curve TGA ottenute in funzione della temperatura e dell'umidità relativa per i campioni di tessuto e di maschera FFP2. Entrambi i campioni mostrano un aumento di massa dovuto all'aumento dell'umidità relativa, con un aumento di massa significativamente maggiore per il campione di tessuto (nero) rispetto alla maschera FFP2 (verde).
Analizzando più in dettaglio i risultati TGA del campione di maschera in tessuto (figura 4), è possibile rilevare un aumento medio della massa dell'8% in seguito all'aumento dell'umidità relativa dal 40% al 90% a 32°C. Ciò è dovuto all'adsorbimento dell'acqua. Ciò è dovuto all'adsorbimento di acqua nel campione. Quando l'umidità relativa viene successivamente ridotta al 40%, rimane un carico residuo fino allo 0,75%. Questo comportamento di assorbimento e desorbimento della maschera di tessuto per i 5 cicli eseguiti è riproducibile e reversibile.
A titolo di confronto, la figura 5 presenta la curva TGA ottenuta per il campione della maschera FFP2. Come la maschera in tessuto, anche questo materiale mostra un aumento di massa non appena l'umidità relativa viene aumentata all'80% a 32°C. Tuttavia, l'aumento di massa è significativamente inferiore: è solo dello 0,2% circa. La riduzione del contenuto di umidità relativa al 40% garantisce il completo rilascio dell'umidità assorbita. A differenza della maschera in tessuto, per il campione della maschera FFP 2 non è possibile rilevare chiaramente un carico residuo. Di conseguenza, anche l'aumento della temperatura a 80°C non provoca ulteriori variazioni significative della massa.
Sintesi
L'accoppiamento di uno STA 449 F3 Jupiter® dotato di forno in rame a un generatore di umidità offre la possibilità di ottenere una visione dettagliata della variazione di massa di un'ampia varietà di campioni in funzione di livelli variabili di umidità. Mentre si indossa la protezione bocca-naso, si è continuamente esposti all'aria respiratoria umida. Analizzando la variazione di massa a diversi livelli di umidità, è possibile trarre conclusioni sulla capacità di assorbimento o sul carico di umidità residua dei singoli materiali della maschera. I risultati indicano chiaramente che la maschera in tessuto assorbe quantità significativamente maggiori di umidità rispetto alla maschera FFP2 e mostra un carico residuo dopo la riduzione del contenuto di umidità. Il basso carico della maschera FFP2 può essere spiegato dai diversi strati e dai materiali utilizzati nella maschera FFP2. È possibile che i singoli strati possiedano proprietà diverse per quanto riguarda la loro reazione con l'umidità. Questa caratterizzazione, tuttavia, richiede ulteriori indagini.
Il campione di maschera in tessuto mostra una maggiore penetrazione dell'umidità, che viene rilasciata interamente solo a temperature di conservazione elevate. Il trattamento termico a 80°C assicura quindi la completa asciugatura della maschera e previene la diffusione di batteri e/o funghi all'interno del tessuto.