Wprowadzenie
Od czasu rozprzestrzenienia się koronawirusa SARS-CoV-2 na całym świecie, ochrona ust i nosa stała się częścią naszego codziennego życia. Początkowo w życiu codziennym stosowano bandany, szaliki i maski materiałowe, ale ze względu na szybkie rozprzestrzenianie się wirusa zastąpiono je maskami medycznymi, takimi jak maski chirurgiczne lub FFP2. Po założeniu ochrony jamy ustnej i nosa, znajduje się ona stale w strumieniach oddechowych wdychanych i wydychanych przez użytkownika. W szczególności wydechowy przepływ oddechowy jest prawie nasycony, przy wilgotności 98% podczas wydechu [1]. W rezultacie materiał maski jest stale nawilżany, co ogranicza działanie filtra. Ponadto wilgotne środowisko sprzyja namnażaniu się szkodliwych bakterii i grzybów w materiale filtracyjnym i może prowadzić do zakaźnych chorób układu oddechowego u użytkowników masek [2].
Poniżej zbadano ilościowe wchłanianie wilgoci przez ochronę ust i nosa w zależności od zastosowanego materiału i zgodnie z zalecanym czasem noszenia półmasek zgodnie z niemieckim ustawowym ubezpieczeniem wypadkowym [3]. W tym celu przygotowano próbkę zarówno z tkaniny, jak i maski FFP2. Ze względu na zmianę z tkaniny na maski FFP2, struktura zmienia się z jednowarstwowej tkaniny bawełnianej na wielowarstwowy polar. Za pomocą pomiarów termograwimetrycznych przy różnych poziomach wilgotności względnej scharakteryzowano możliwą absorpcję wilgoci przez różne typy masek.
Warunki pomiaru
Do badań wykorzystano urządzenie STA 449 F3 Jupiter® z piecem miedzianym połączono z generatorem wilgotności MHG 100. Próbki poszczególnych materiałów maski (10 mm x 10 mm) zostały przygotowane z części środkowej (rysunek 1) i umieszczone na siatce Pt/Ir (rysunek 2) w celu określenia zmian masy. Za pomocą tego nośnika próbki można wykonywać pomiary termograwimetryczne w STA. Efekty endo- i egzotermiczne nie są rejestrowane. Co więcej, próbki zostały ustawione wewnętrzną stroną maski w kierunku przepływu wilgoci, aby naśladować ich rzeczywiste warunki pracy.
Szczegółowe warunki pomiaru są wymienione w tabeli 1.
Program temperaturowy został ustalony zgodnie z badaniami Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Münster dotyczącymi możliwości ponownego użycia masek FFP2. Program pomiarowy obejmował 5 cykli programu temperaturowego przedstawionego w tabeli 2.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Parametr | Maska materiałowa | Maska FFP2 |
| Masa próbki | 16.313 mg | 19.921 mg |
| Piec | Miedź | |
| Uchwyt próbki | Nośnik próbki TG, Pt/Ir 10 netto | |
| Atmosfera gazowa | Azot | |
| Natężenie przepływu gazu | 20 ml/min | |
| Akcesoria | Generator wilgotności MHG | |
Tabela 2: Program temperatury i regulacja wilgotności pomiarów
Pomiar segmenty | Temperatura | Wilgotność względna | Czas |
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 % | - |
Wyniki pomiarów
Rysunek 3 przedstawia krzywe TGA uzyskane w funkcji temperatury i wilgotności względnej dla próbek zarówno tkaniny, jak i maski FFP2. Obie próbki wykazują wzrost masy spowodowany wzrostem wilgotności względnej, przy czym znacznie wyższy wzrost masy dla próbki tkaniny (czarny) niż dla maski FFP2 (zielony).
Patrząc bardziej szczegółowo na wyniki TGA próbki maski tkaninowej (rysunek 4), średni wzrost masy o 8% można wykryć po wzroście wilgotności względnej z 40% do 90% w temperaturze 32°C. Jest to spowodowane adsorpcją wody w próbce. Gdy wilgotność względna zostanie następnie zmniejszona do 40%, pozostaje ładunek resztkowy do 0,75%. To zachowanie absorpcji i desorpcji maski tkaninowej dla 5 wykonanych cykli jest powtarzalne i odwracalne.
Dla porównania, rysunek 5 przedstawia krzywą TGA uzyskaną dla próbki maski FFP2. Podobnie jak maska z tkaniny, ten materiał również wykazuje wzrost masy, gdy tylko wilgotność względna zostanie zwiększona do 80% w temperaturze 32°C. Jednak wzrost masy jest znacznie niższy; wynosi tylko około 0,2%. Zmniejszenie wilgotności względnej do 40% zapewnia całkowite uwolnienie pochłoniętej wilgoci. W przeciwieństwie do maski tkaninowej, w przypadku próbki maski FFP 2 nie można wyraźnie wykryć obciążenia resztkowego. W rezultacie nawet wzrost temperatury do 80°C nie powoduje dalszej znaczącej zmiany masy.
Podsumowanie
Połączenie STA 449 F3 Jupiter® wyposażonego w piec miedziany do generatora wilgotności oferuje możliwość uzyskania szczegółowego wglądu w zmianę masy szerokiej gamy próbek w funkcji zmiennych poziomów wilgotności. Podczas gdy noszona jest ochrona ust i nosa, jest ona stale narażona na wilgotne powietrze oddechowe. Badając zmianę masy przy różnych poziomach wilgotności, można wyciągnąć wnioski na temat zdolności pochłaniania lub obciążenia wilgocią resztkową poszczególnych materiałów, z których wykonane są maski. Wyniki wyraźnie wskazują, że maska tkaninowa pochłania znacznie większe ilości wilgoci niż maska FFP2 i wykazuje NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie resztkowe po zmniejszeniu zawartości wilgoci. Niskie NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie maski FFP2 można prawdopodobnie wyjaśnić różnymi warstwami, a także materiałami zastosowanymi w masce FFP2. Możliwe, że poszczególne warstwy mają różne właściwości w odniesieniu do ich reakcji z wilgocią. Ta charakterystyka wymaga jednak dalszych badań.
Próbka maski z tkaniny wykazuje silniejszą penetrację wilgoci, która jest uwalniana w całości dopiero w podwyższonych temperaturach przechowywania. Obróbka w temperaturze 80°C zapewnia zatem całkowite wysuszenie maski, a także zapobiega rozprzestrzenianiu się bakterii i/lub grzybów w tkaninie.