소개
SARS-CoV-2 코로나 바이러스가 전 세계적으로 확산된 이후 입과 코를 보호하는 것이 일상 생활의 일부가 되었습니다. 처음에는 두건, 스카프, 천 마스크가 일상 생활에서 사용되었지만 바이러스의 급속한 확산으로 인해 수술용 또는 FFP2 마스크와 같은 의료용 마스크로 대체되었습니다. 입과 코를 보호하는 마스크를 착용하면 착용자가 숨을 들이쉬고 내쉬는 호흡 흐름에 지속적으로 노출됩니다. 특히 날숨의 호흡 흐름은 거의 포화 상태에 이르며, 날숨의 습도는 98%에 이릅니다[1]. 그 결과 마스크 소재가 지속적으로 습기를 머금고 있어 필터 기능이 저하됩니다. 또한 습한 환경은 필터 소재 내에서 유해한 박테리아와 곰팡이의 증식을 촉진하여 마스크 착용자에게 감염성 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다 [2].
다음에서는 독일 법정 상해 보험에 따른 하프 마스크 권장 착용 시간 [3]에 따라 사용된 소재와 입-코 보호용 마스크의 수분 흡수량을 정량화하여 조사했습니다. 이를 위해 천 마스크와 FFP2 마스크로 샘플을 준비했습니다. 천에서 FFP2 마스크로 변경됨에 따라 구조가 단층 면직물에서 다층 플리스로 변경되었습니다. 다양한 상대 습도 수준에서 열 중량 측정을 통해 다양한 마스크 유형의 수분 흡수 가능성을 특성화했습니다.
측정 조건
조사를 위해 구리 용광로가 있는 STA 449 F3 Jupiter® 를 MHG 100 습도 발생기에 연결했습니다. 질량 변화를 측정하기 위해 중앙 부분(그림 1)에서 개별 마스크 재료의 샘플(10mm x 10mm)을 준비하여 Pt/Ir 망(그림 2) 위에 놓았습니다. 이 샘플 지지대를 통해 STA에서 열무게 측정을 수행할 수 있습니다. 내열 및 외열 효과는 기록되지 않습니다. 또한 시편은 실제 작동 조건을 모방하기 위해 마스크의 안쪽이 수분 흐름을 향하도록 정렬되었습니다.
자세한 측정 조건은 표 1에 나와 있습니다.
온도 프로그램은 FFP2 마스크의 재사용 가능성에 관한 뮌스터 응용과학대학의 조사에 따라 수립되었습니다. 측정 프로그램에는 표 2에 표시된 온도 프로그램의 5주기가 포함되었습니다.
표 1: 측정 조건
| 매개변수 | 천 마스크 | FFP2 마스크 |
| 샘플 질량 | 16.313 mg | 19.921 mg |
| Furnace | 구리 | |
| 샘플 홀더 | TG 시료 캐리어, Pt/Ir 10망 | |
| 가스 분위기 | 질소 | |
| 가스 유량 | 20 ml/min | |
| 액세서리 | MHG 습도 발생기 | |
표 2: 측정의 온도 프로그램 및 습도 조정
측정 세그먼트 | 온도 | 상대 습도 | 시간 |
1 | 32°C | 40% | 60분 |
2 | 32°C | 90% | 60분 |
3 | 32°C | 40% | 60분 |
4 | 32°C → 80°C(10K/min) | 40% → 2.6% | - |
5 | 80°C | 2.6% | 60분 |
6 | 80°C → 32°C(10K/min) | 2,6 % → 40 % | - |
측정 결과
그림 3은 천과 FFP2 마스크의 샘플에 대해 온도 및 상대 습도의 함수로 얻은 TGA 곡선을 보여줍니다. 두 샘플 모두 상대 습도가 증가함에 따라 질량이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 천 샘플(검은색)의 질량 증가가 FFP2 마스크(녹색)보다 훨씬 더 높습니다.
천 마스크 샘플(그림 4)의 TGA 결과를 더 자세히 살펴보면, 32°C에서 상대 습도가 40%에서 90%로 증가함에 따라 평균 8%의 질량 증가를 감지할 수 있습니다. 이는 샘플의 수분 흡착으로 인해 발생합니다. 이후 상대 습도를 40%로 낮추면 최대 0.75%의 잔류 하중이 남습니다. 수행된 5주기 동안 천 마스크의 이러한 흡수 및 탈착 거동은 재현 가능하고 가역적입니다.
이와 비교하여 그림 5는 FFP2 마스크 샘플에 대해 얻은 TGA 곡선을 보여줍니다. 천 마스크와 마찬가지로 이 물질도 32°C에서 상대 습도가 80%로 증가하자마자 질량 증가를 보여줍니다. 그러나 질량 증가는 약 0.2%에 불과할 정도로 현저히 낮습니다. 상대 습도를 40%로 낮추면 흡수된 습기가 완전히 방출됩니다. 천 마스크와 달리 FFP 2 마스크 샘플에서는 잔류 하중을 명확하게 감지할 수 없습니다. 그 결과 온도를 80°C까지 높여도 더 이상 큰 질량 변화가 발생하지 않습니다.
요약
구리 용광로가 장착된 STA 449 F3 Jupiter® 를 습도 발생기에 연결하면 다양한 습도 함량 수준에 따른 다양한 시료의 질량 변화에 대한 상세한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 입과 코 보호구를 착용하는 동안에는 습한 호흡 공기에 지속적으로 노출됩니다. 다양한 수분 함량 수준에서 질량 변화를 조사함으로써 개별 마스크 소재의 흡수 능력 또는 잔류 수분 부하에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 그 결과 천 마스크가 FFP2 마스크보다 훨씬 더 많은 양의 수분을 흡수하고 수분 함량이 감소한 후에도 잔류 부하가 있음을 분명히 알 수 있습니다. FFP2 마스크의 낮은 하중은 FFP2 마스크에 사용된 재료뿐만 아니라 다른 층으로 설명할 수 있습니다. 각 층이 수분과의 반응과 관련하여 서로 다른 특성을 가지고 있을 수 있습니다. 그러나 이러한 특성 분석은 추가 조사가 필요합니다.
천 마스크 샘플은 높은 보관 온도에서만 전체가 방출되는 더 강한 수분 침투성을 보였습니다. 따라서 80°C의 온도 처리는 마스크의 완전한 건조를 보장하고 천 내부의 박테리아 및/또는 곰팡이 확산을 방지합니다.