はじめに
SARS-CoV-2（Corona ）ウイルスが世界的に流行して以来、口鼻対策は日常生活の一部となっている。当初はバンダナやスカーフ、布製のマスクが日常生活で使われていたが、ウイルスの急速な蔓延により、サージカルマスクやFFP2マスクなどの医療用マスクに取って代わられた。口鼻保護具を装着すると、装着者の吸気と呼気の呼吸流の中に常に存在することになる。特に呼気呼吸流はほぼ飽和状態にあり、呼気中の湿度は98%に達する[1]。その結果、マスク素材は常に湿潤し、フィルター機能を低下させる。さらに、湿度の高い環境は、フィルター素材内での有害な細菌や真菌の増殖を促進し、マスク着用者の感染性呼吸器疾患につながる可能性がある[2]。
以下では、口鼻保護具の吸湿量を、使用する素材の関数として、またドイツの法定傷害保険 [3] に従ったハーフマスクの推奨着用時間に従って調査する。この目的のため、布製マスクとFFP2マスクの両方から試料を作製した。布製マスクからFFP2マスクへの変更により、単層コットン生地から多層フリースへと構造が変化した。相対湿度レベルを変化させた熱重量測定により、異なるタイプのマスクの吸湿可能性を評価した。
測定条件
調査のため、銅炉付きSTA 449 F3 Jupiter®をMHG 100湿度発生装置に接続した。個々のマスク材料の試料（10 mm x 10 mm）を中央部分（図1）から調製し、質量変化を測定するために白金/鉄網（図2）上に置いた。この試料支持体により、STA内で熱重量測定を行うことができる。発熱（発熱性）効果は記録されない。さらに、実際の使用条件を模倣するため、試料はマスクの内側が水蒸気流に面するように配置された。
詳細な測定条件を表1に示す。
温度プログラムは、FFP2マスクの再利用性に関するミュンスター応用科学大学の調査に従って設定された。測定プログラムは表2に示す温度プログラムを5サイクル行った。
表1：測定条件
| 測定項目 | 布マスク | FFP2マスク |
| 試料質量 | 16.313 mg | 19.921 mg |
| 加熱炉 | 銅 | |
| 試料ホルダー | TG サンプルキャリア, Pt/Ir 10 net | |
| ガス雰囲気 | 窒素 | |
| ガス流量 | 20ml/分 | |
| 付属品 | MHG湿度発生器 | |
表2：測定温度プログラムと湿度調整
測定 セグメント | 温度 | 相対湿度 | 測定時間 |
1 | 32°C | 40% | 60分 |
2 | 32°C | 90% | 60 分 |
3 | 32°C | 40% | 60 分 |
4 | 32°C → 80°C (10K/min) | 40% → 2.6% | - |
5 | 80°C | 2.6% | 60分 |
6 | 80°C → 32°C (10 K/min) | 2,6 % → 40 % | - |
測定結果
図3は、布マスクとFFP2マスクの試料について、温度と相対湿度の関数として得られたTGA曲線を示している。両試料とも相対湿度の上昇による質量増加を示しており、布試料（黒）の質量増加はFFP2マスク（緑）よりも著しく大きい。
布マスク試料のTGA結果（図4）をより詳細に見ると、32℃における相対湿度が40%から90%に上昇した後、平均8%の質量増加が検出された。これは試料の水分吸着によるものである。その後、相対湿度を40%まで下げると、最大0.75%の残留荷重が残る。5サイクル実施した布マスクのこの吸脱着挙動は再現性があり、可逆的である。
比較として、図5はFFP2マスク試料で得られたTGA曲線を示している。布マスクと同様、この材料も32℃で相対湿度を80%に上げるとすぐに質量増加が見られる。ただし、質量の増加は著しく低く、わずか約0.2%である。相対湿度を40％まで下げると、吸収した湿度は完全に放出されます。布マスクとは対照的に、FFP 2マスク試料では残留荷重が明確に検出できない。その結果、80℃まで温度を上げても、それ以上大きな質量変化は起こらない。
概要
銅製ファーネスを装備したSTA 449 F3 Jupiter®銅加熱炉を備えたSTA 449を湿度発生装置に接続することで、湿度レベルを変化させたときの多種多様な試料の質量変化について、詳細な知見を得ることができます。口鼻保護具を装着している間は、湿った呼吸用空気に絶えずさらされる。異なる含水率レベルでの質量変化を調べることで、個々のマスク素材の吸収能力や残留水分量について結論を導き出すことができる。その結果、布製マスクはFFP2マスクよりも有意に多量の水分を吸収し、含水率を下げた後も残留荷重があることが明らかになった。FFP2マスクの低荷重は、FFP2マスクに使用されている材料だけでなく、層の違いによっても説明できる可能性がある。個々の層が水分との反応に関して異なる特性を持っている可能性がある。しかし、この特性についてはさらなる調査が必要である。
布マスク試料は、より強い水分透過性を示し、それは高い保存温度でのみ完全に放出される。したがって、80℃の温度処理はマスクの完全な乾燥を保証し、布の内部でのバクテリアや真菌の拡散も防ぐ。