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Materiais de proteção para a boca e o nariz sob a influência da umidade

Introdução

Desde a disseminação mundial do coronavírus SARS-CoV-2, a proteção da boca e do nariz passou a fazer parte do nosso cotidiano. Inicialmente, bandanas, lenços e máscaras de tecido eram usados no cotidiano, mas, devido à rápida disseminação do vírus, foram substituídos por máscaras médicas, como as cirúrgicas ou as FFP2. Quando a proteção bucal é colocada, ela está constantemente nos fluxos respiratórios de inspiração e expiração do usuário. O fluxo respiratório de expiração, em particular, é quase saturado, com uma umidade de 98% durante a expiração [1]. Como resultado, o material da máscara é continuamente umedecido, reduzindo assim a função do filtro. Além disso, o ambiente úmido promove a proliferação de bactérias e fungos nocivos dentro do material do filtro e pode levar a doenças respiratórias infecciosas para os usuários da máscara [2].

A seguir, a quantificação da absorção de umidade para a proteção da boca e do nariz é investigada em função do material usado e seguindo o tempo de uso recomendado para meias-máscaras de acordo com o seguro legal alemão contra acidentes [3]. Para isso, uma amostra foi preparada a partir de uma máscara de tecido e de uma máscara FFP2. Devido à mudança de tecido para máscaras FFP2, a estrutura muda de tecido de algodão de camada única para velo de várias camadas. Por meio de medições termogravimétricas em diferentes níveis de umidade relativa, a possível absorção de umidade dos diferentes tipos de máscara é caracterizada.

1) Máscaras de pano e FFP2 usadas para a preparação da amostra. O retângulo vermelho marca os respectivos pontos de amostragem.
2) Posição da amostra preparada na rede de Pt/Ir a) a partir da máscara de tecido e b) a partir da máscara FFP2.

Condições de medição

Para as investigações, um STA 449 F3 Jupiter® com forno de cobre foi acoplado ao gerador de umidade MHG 100. Amostras dos materiais individuais da máscara (10 mm x 10 mm) foram preparadas a partir da parte central (figura 1) e colocadas na rede de Pt/Ir (figura 2) para a determinação das alterações de massa. Por meio desse suporte de amostra, as medições termogravimétricas podem ser realizadas no STA. Os efeitos endo e exotérmicos não são registrados. Além disso, as amostras foram alinhadas com o lado interno da máscara voltado para o fluxo de umidade, de modo a imitar suas condições reais de operação.

As condições detalhadas de medição estão listadas na tabela 1.

O programa de temperatura foi estabelecido de acordo com as investigações da Universidade de Ciências Aplicadas de Münster com relação à reutilização das máscaras FFP2. O programa de medição incluiu 5 ciclos do programa de temperatura mostrado na tabela 2.

Tabela 1: Condições de medição

Parâmetro

Máscara de tecido

Máscara FFP2

Massa da amostra16.313 mg

19.921 mg

Forno

Cobre

Suporte de amostra

Suporte de amostra TG, Pt/Ir 10 net

Atmosfera de gás

Nitrogênio

Vazão de gás

20 ml/min

Acessórios

Gerador de umidade MHG

Tabela 2: Programa de temperatura e ajuste de umidade das medições

Medição

segmentos

Temperatura

Umidade 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 %

-

Resultados da medição

A Figura 3 mostra as curvas de TGA obtidas em função da temperatura e da umidade relativa para as amostras das máscaras de tecido e FFP2. Ambas as amostras mostram um aumento de massa devido ao aumento da umidade relativa, com um aumento de massa significativamente maior para a amostra de tecido (preto) do que para a máscara FFP2 (verde).

Ao analisar mais detalhadamente os resultados de TGA da amostra de máscara de tecido (figura 4), é possível detectar um aumento médio de massa de 8% após o aumento da umidade relativa de 40% para 90% a 32°C. Isso é causado pela adsorção de água na máscara. Isso é causado pela adsorção de água da amostra. Quando a umidade relativa é posteriormente reduzida para 40%, permanece uma carga residual de até 0,75%. Esse comportamento de absorção e dessorção da máscara de tecido para os 5 ciclos realizados é reproduzível e reversível.

Em comparação, a Figura 5 apresenta a curva TGA obtida para a amostra da máscara FFP2. Assim como a máscara de tecido, esse material também apresenta um aumento de massa assim que a umidade relativa é aumentada para 80% a 32°C. No entanto, o aumento de massa é significativamente menor; é de apenas cerca de 0,2%. A redução do teor de umidade relativa para 40% garante a liberação completa da umidade absorvida. Em contraste com a máscara de tecido, não é possível detectar claramente uma carga residual na amostra da máscara FFP 2. Como resultado, mesmo o aumento da temperatura para 80°C não causa nenhuma outra alteração significativa na massa.

3) Resultado da TGA em função do programa de temperatura e da umidade relativa da amostra da máscara de tecido (preto) e da máscara FFP2 (verde); a temperatura é apresentada em vermelho e a umidade relativa em azul.
4) Resultado de TGA para a amostra preparada a partir da máscara de tecido (preto); a temperatura está representada em vermelho e a umidade relativa em azul.
5) Resultado da TGA para a amostra preparada a partir da máscara FFP2 (preto); a temperatura está representada em vermelho e a umidade relativa em azul.

Resumo

O acoplamento de um STA 449 F3 Jupiter® equipado com forno de cobre a um gerador de umidade oferece a possibilidade de obter uma visão detalhada da mudança de massa de uma ampla variedade de amostras em função de níveis variáveis de teor de umidade. Enquanto o protetor bucal é usado, ele é continuamente exposto ao ar respiratório úmido. Ao investigar a alteração de massa em diferentes níveis de teor de umidade, é possível tirar conclusões sobre a capacidade de absorção ou a carga de umidade residual dos materiais individuais da máscara. Os resultados indicam claramente que a máscara de tecido absorve quantidades significativamente maiores de umidade do que a máscara FFP2 e apresenta uma carga residual depois que o teor de umidade é reduzido. A baixa carga da máscara FFP2 pode possivelmente ser explicada pelas diferentes camadas, bem como pelos materiais usados na máscara FFP2. É possível que as camadas individuais possuam propriedades diferentes em relação à sua reação com a umidade. Essa caracterização, no entanto, requer mais investigação.

A amostra da máscara de tecido mostra uma penetração de umidade mais forte, que só é liberada em sua totalidade em temperaturas de armazenamento elevadas. O tratamento de temperatura a 80°C, portanto, garante a secagem completa da máscara e também evita a propagação de bactérias e/ou fungos dentro do tecido.

Literature

  1. [1]
    G. Liljestrand, A.V. Sahlstedt; Temperatur und Feuchtigkeit der ausgeatmeten Luft, Acta Physiologica, Band 46, Ausgabe 1, 1925, 94-120
  2. [2]
    M. Benboubker, B. Oumokhtar et al., Covid-19 respiratory protection: the filtration efficiency assessment of decontaminated FFP2 masks responding to associated shortages, medRxiv 2021.01.18.21249976; doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.18.21249976
  3. [3]
    DGUV Regel 112-190 Benutzung von Atemschutzgeräten; https://publikationen.dguv.de/widgets/ pdf/download/article/1011 (besucht am 26.01.2022)
  4. [4]
    "Möglichkeiten und Grenzen der eigenverantwortlichen Wiederverwendung von FFP2-Masken für den Privatgebrauch im Rahmen einer epidemischen Lage", Herausgeber: Equipe "Wiederverwendung von FFP2- Masken, Fachbereich Gesundheit, FH Münster