湿度下における口鼻保護材

はじめに

SARS-CoV-2コロナウイルスが世界的に蔓延して以来、口鼻対策は日常生活の一部となった。当初はバンダナやスカーフ、布製のマスクなどが日常的に使われていたが、ウイルスの急速な感染拡大により、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マスクの両方からサンプルを作製した。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サンプル（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。熱内・熱外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

表2：測定温度プログラムと湿度調整

測定結果

図3は、布とFFP2マスクの両サンプルについて、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。両サンプルとも相対湿度の上昇による質量の増加を示しており、布製サンプル（黒色）の方がFFP2マスク（緑色）よりも質量の増加が著しく大きい。

布マスクサンプルの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マスクサンプルについて得られたTGA曲線を示している。布マスクと同様に、この材料も32℃で相対湿度を80%に上げるとすぐに質量の増加を示している。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マスクサンプルでは残留荷重を明確に検出することはできません。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^®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様な試料の質量変化に関する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。

布マスクのサンプルは、より強い水分浸透を示し、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。