Введение
После всемирного распространения коронарного вируса SARS-CoV-2 средства защиты рта и носа стали частью нашей повседневной жизни. Изначально в повседневной жизни использовались банданы, шарфы и тканевые маски, но из-за быстрого распространения вируса их заменили медицинские маски, такие как хирургические или FFP2. После того как маска надета, она постоянно находится во вдыхаемом и выдыхаемом дыхательных потоках пользователя. В частности, поток выдыхаемого воздуха практически насыщен, его влажность во время выдоха составляет 98 % [1]. В результате материал маски постоянно увлажняется, что снижает эффективность фильтрации. Кроме того, влажная среда способствует размножению вредных бактерий и грибков внутри фильтрующего материала и может привести к инфекционным заболеваниям дыхательных путей у пользователей маски [2].
Далее исследуется количественная оценка влагопоглощения для защиты рта и носа в зависимости от используемого материала и рекомендуемого времени ношения полумасок в соответствии с немецким законодательством о страховании от несчастных случаев [3]. Для этого были подготовлены образцы из ткани и маски FFP2. При переходе от ткани к маске FFP2 структура меняется от однослойной хлопчатобумажной ткани к многослойному флису. С помощью термогравиметрических измерений при различном уровне относительной влажности охарактеризовано возможное поглощение влаги различными типами масок.
Условия измерения
Для проведения исследований к генератору влажности MHG 100 был подключен прибор STA 449 F3 Jupiter® с медной печью была соединена с генератором влажности MHG 100. Образцы отдельных материалов маски (10 мм x 10 мм) были подготовлены из центральной части (рис. 1) и помещены на Pt/Ir сетку (рис. 2) для определения изменения массы. С помощью этой подставки для образцов можно проводить термогравиметрические измерения в STA. Эндо- и экзотермические эффекты не регистрируются. Кроме того, образцы выравнивались так, чтобы внутренняя сторона маски была обращена к потоку влаги, чтобы имитировать реальные условия эксплуатации.
Подробные условия измерений приведены в таблице 1.
Температурная программа была установлена в соответствии с исследованиями Мюнстерского университета прикладных наук относительно возможности повторного использования масок FFP2. Программа измерений включала 5 циклов температурной программы, представленной в таблице 2.
Таблица 1: Условия измерения
| Параметр | Тканевая маска | Маска FFP2 |
| Масса образца | 16.313 мг | 19.921 мг |
| Печь | Медь | |
| Держатель образца | Держатель образцов TG, Pt/Ir 10 нетто | |
| Газовая атмосфера | Азот | |
| Скорость потока газа | 20 мл/мин | |
| Принадлежность | Генератор влажности MHG | |
Таблица 2: Температурная программа и настройка влажности при измерениях
Измерение сегменты | Температура | Относительная влажность | Время |
1 | 32°C | 40% | 60 мин |
2 | 32°C | 90% | 60 мин |
3 | 32°C | 40% | 60 мин |
4 | 32°C → 80°C (10 K/мин) | 40% → 2.6% | - |
5 | 80°C | 2.6% | 60 мин |
6 | 80°C → 32°C (10 K/мин) | 2,6 % → 40 % | - |
Результаты измерений
На рисунке 3 показаны кривые ТГА, полученные в зависимости от температуры и относительной влажности для образцов масок из ткани и FFP2. Оба образца демонстрируют увеличение массы при повышении относительной влажности, причем для образца ткани (черный) увеличение массы значительно выше, чем для маски FFP2 (зеленый).
При более детальном рассмотрении результатов ТГА образца тканевой маски (рис. 4) можно обнаружить увеличение массы в среднем на 8 % после увеличения относительной влажности с 40 до 90 % при температуре 32 °C. Это вызвано адсорбцией воды на образце. При последующем снижении относительной влажности до 40 % сохраняется остаточная нагрузка до 0,75 %. Такое поведение тканевой маски при поглощении и десорбции в течение 5 циклов является воспроизводимым и обратимым.
Для сравнения, на рисунке 5 представлена кривая ТГА, полученная для образца маски FFP2. Как и тканевая маска, этот материал также демонстрирует увеличение массы при повышении относительной влажности до 80 % при температуре 32 °C. Однако прирост массы значительно меньше - он составляет всего около 0,2 %. Снижение относительной влажности до 40% обеспечивает полное высвобождение поглощенной влаги. В отличие от тканевой маски, для образца маски FFP 2 остаточная нагрузка не может быть четко обнаружена. В результате даже повышение температуры до 80°C не приводит к дальнейшему значительному изменению массы.
Резюме
Соединение прибора STA 449 F3 Jupiter® оснащенного медной печью, с генератором влажности дает возможность получить подробное представление об изменении массы самых разных образцов в зависимости от уровня влажности. При ношении защитного устройства рот-нос постоянно подвергается воздействию влажного дыхательного воздуха. Исследуя изменение массы при различных уровнях влажности, можно сделать выводы о поглощающей способности или остаточной влажности отдельных материалов маски. Результаты ясно показывают, что тканевая маска поглощает значительно большее количество влаги, чем маска FFP2, и демонстрирует остаточную нагрузку после уменьшения содержания влаги. Низкая нагрузка маски FFP2, возможно, объясняется наличием различных слоев, а также материалов, используемых в маске FFP2. Возможно, отдельные слои обладают различными свойствами в отношении их реакции с влагой. Однако эта характеристика требует дальнейшего изучения.
Образец тканевой маски демонстрирует более сильное проникновение влаги, которая полностью выходит только при повышенных температурах хранения. Таким образом, температурная обработка при 80°C обеспечивает полное высыхание маски, а также предотвращает распространение бактерий и/или грибков внутри ткани.