Centro di eccellenza per dispositivi e materiali di protezione (CEPEM), 1280 Main St. W., Hamilton, ON, Canada
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Le agenzie di salute pubblica raccomandano alle comunità di utilizzare maschere per ridurre la diffusione di malattie trasmesse nell'aria come il COVID-19.Quando la maschera funge da filtro ad alta efficienza, la diffusione del virus sarà ridotta, quindi è importante valutare l'efficienza di filtrazione delle particelle (PFE) della maschera.Tuttavia, i costi elevati e i lunghi tempi di consegna associati all'acquisto di un sistema PFE chiavi in mano o all'assunzione di un laboratorio accreditato ostacolano il test dei materiali filtranti.Vi è chiaramente la necessità di un sistema di test PFE "personalizzato";tuttavia, i vari standard che prescrivono il test PFE delle maschere (mediche) (ad esempio ASTM International, NIOSH) variano notevolmente nella chiarezza dei loro protocolli e linee guida.Qui viene descritto lo sviluppo di un sistema PFE "interno" e un metodo per testare le maschere nel contesto degli attuali standard delle maschere mediche.Secondo gli standard internazionali ASTM, il sistema utilizza sfere di lattice (dimensione nominale 0,1 µm) aerosol e utilizza un analizzatore di particelle laser per misurare la concentrazione di particelle a monte ea valle del materiale della maschera.Eseguire misurazioni PFE su vari tessuti comuni e maschere mediche.Il metodo descritto in questo lavoro soddisfa gli attuali standard di test PFE, fornendo al contempo flessibilità per adattarsi alle mutevoli esigenze e condizioni di filtraggio.
Le agenzie di sanità pubblica raccomandano alla popolazione generale di indossare maschere per limitare la diffusione di COVID-19 e di altre malattie trasmesse da goccioline e aerosol.[1] L'obbligo di indossare maschere è efficace nel ridurre la trasmissione e [2] indica che le maschere comunitarie non testate forniscono un filtraggio utile.In effetti, studi di modellizzazione hanno dimostrato che la riduzione della trasmissione di COVID-19 è quasi proporzionale al prodotto combinato dell'efficacia della maschera e del tasso di adozione, e queste e altre misure basate sulla popolazione hanno un effetto sinergico nel ridurre i ricoveri e le morti.[3]
Il numero di maschere mediche e respiratori certificati richiesti dall'assistenza sanitaria e da altri lavoratori in prima linea è aumentato notevolmente, ponendo sfide alle catene di produzione e fornitura esistenti e inducendo nuovi produttori a testare e certificare rapidamente nuovi materiali.Organizzazioni come ASTM International e il National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) hanno sviluppato metodi standardizzati per testare le maschere mediche;tuttavia, i dettagli di questi metodi variano ampiamente e ogni organizzazione ha stabilito i propri standard di prestazione.
L'efficienza di filtrazione del particolato (PFE) è la caratteristica più importante di una maschera perché è correlata alla sua capacità di filtrare piccole particelle come gli aerosol.Le mascherine mediche devono soddisfare specifici obiettivi PFE[4-6] per essere certificate da agenzie di regolamentazione come ASTM International o NIOSH.Le maschere chirurgiche sono certificate da ASTM e i respiratori N95 sono certificati da NIOSH, ma entrambe le maschere devono superare specifici valori di cut-off PFE.Ad esempio, le maschere N95 devono ottenere una filtrazione del 95% per aerosol composti da particelle di sale con un diametro medio di conteggio di 0,075 µm, mentre le maschere chirurgiche ASTM 2100 L3 devono ottenere una filtrazione del 98% per aerosol composti da sfere di lattice con un diametro medio di 0,1 µm Filtro .
Le prime due opzioni sono costose (> $ 1.000 per campione di prova, stimato in > $ 150.000 per apparecchiature specifiche) e durante la pandemia di COVID-19 si verificano ritardi dovuti a lunghi tempi di consegna e problemi di fornitura.L'alto costo dei test PFE e i diritti di accesso limitati, combinati con la mancanza di una guida coerente sulle valutazioni standardizzate delle prestazioni, hanno portato i ricercatori a utilizzare una varietà di sistemi di test personalizzati, che spesso si basano su uno o più standard per maschere mediche certificate.
La speciale attrezzatura per il test dei materiali delle maschere che si trova nella letteratura esistente è solitamente simile agli standard NIOSH o ASTM F2100/F2299 sopra menzionati.Tuttavia, i ricercatori hanno la possibilità di scegliere o modificare il design o i parametri operativi in base alle proprie preferenze.Ad esempio, sono state utilizzate variazioni nella velocità della superficie del campione, nella portata di aria/aerosol, nella dimensione del campione (area) e nella composizione delle particelle di aerosol.Molti studi recenti hanno utilizzato attrezzature personalizzate per valutare i materiali delle maschere.Queste apparecchiature utilizzano aerosol di cloruro di sodio e sono vicine agli standard NIOSH.Ad esempio, Rogak et al.(2020), Zangmeister et al.(2020), Drunic et al.(2020) e Joo et al.(2021) Tutte le apparecchiature costruite produrranno aerosol di cloruro di sodio (varie dimensioni), che viene neutralizzato dalla carica elettrica, diluito con aria filtrata e inviato al campione di materiale, dove il granulometro ottico, particelle condensate di varie misure combinate della concentrazione di particelle [9, 14-16] Konda et al.(2020) e Hao et al.(2020) È stato costruito un dispositivo simile, ma il neutralizzatore di carica non è stato incluso.[8, 17] In questi studi, la velocità dell'aria nel campione variava tra 1 e 90 L min-1 (a volte per rilevare effetti flusso/velocità);tuttavia, la velocità superficiale era compresa tra 5,3 e 25 cm s-1.La dimensione del campione sembra variare tra ≈3,4 e 59 cm2.
Al contrario, ci sono pochi studi sulla valutazione dei materiali delle maschere attraverso apparecchiature che utilizzano aerosol di lattice, che è vicino allo standard ASTM F2100/F2299.Ad esempio, Bagheri et al.(2021), Shakya et al.(2016) e Lu et al.(2020) Ha costruito un dispositivo per produrre aerosol in lattice di polistirene, che è stato diluito e inviato a campioni di materiale, dove sono stati utilizzati vari analizzatori di particelle o analizzatori di dimensioni delle particelle di mobilità a scansione per misurare la concentrazione di particelle.[18-20] E Lu et al.Un neutralizzatore di carica è stato utilizzato a valle del loro generatore di aerosol e gli autori degli altri due studi no.Anche la portata d'aria nel campione è leggermente cambiata, ma entro i limiti dello standard F2299, da ≈7,3 a 19 L min-1.La velocità superficiale dell'aria studiata da Bagheri et al.è rispettivamente di 2 e 10 cm s–1 (entro l'intervallo standard).E Lu et al., e Shakya et al.[18-20] Inoltre, l'autore e Shakya et al.sfere di lattice testate di varie dimensioni (ovvero, nel complesso, da 20 nm a 2500 nm).E Lu et al.Almeno in alcuni dei loro test, usano la dimensione delle particelle specificata di 100 nm (0,1 µm).
In questo lavoro, descriviamo le sfide che dobbiamo affrontare nella creazione di un dispositivo PFE che sia il più possibile conforme agli standard ASTM F2100/F2299 esistenti.Tra i principali standard diffusi (es. NIOSH e ASTM F2100/F2299), lo standard ASTM fornisce una maggiore flessibilità nei parametri (come la portata d'aria) per studiare le prestazioni di filtraggio che possono influenzare il PFE nelle maschere non mediche.Tuttavia, come abbiamo dimostrato, questa flessibilità fornisce un ulteriore livello di complessità nella progettazione di tali apparecchiature.
Le sostanze chimiche sono state acquistate da Sigma-Aldrich e utilizzate così come sono.Il monomero di stirene (≥99%) viene purificato attraverso una colonna di vetro contenente un dispositivo di rimozione dell'inibitore dell'allumina, progettato per rimuovere il tert-butilcatecolo.L'acqua deionizzata (≈0,037 µS cm–1) proviene dal sistema di purificazione dell'acqua Sartorius Arium.
100% cotone ad armatura a tela (Muslin CT) con un peso nominale di 147 gm-2 proviene da Veratex Lining Ltd., QC, e la miscela di bambù/spandex proviene da D. Zinman Textiles, QC.Altri materiali candidati per mascherine provengono da rivenditori di tessuti locali (Fabricland).Questi materiali includono due diversi tessuti in cotone 100% (con stampe diverse), un tessuto in maglia di cotone/spandex, due tessuti in maglia di cotone/poliestere (uno "universale" e uno "tessuto maglione") e un tessuto non tessuto misto cotone/polipropilene materiale di ovatta di cotone.La tabella 1 mostra un riepilogo delle proprietà del tessuto note.Per confrontare le nuove apparecchiature, sono state ottenute maschere mediche certificate dagli ospedali locali, comprese maschere mediche certificate ASTM 2100 Livello 2 (L2) e Livello 3 (L3; Halyard) e respiratori N95 (3M).
Da ciascun materiale da testare è stato tagliato un campione circolare di circa 85 mm di diametro;non sono state apportate ulteriori modifiche al materiale (ad esempio lavaggio).Bloccare l'anello di tessuto nel supporto del campione del dispositivo PFE per il test.Il diametro effettivo del campione a contatto con il flusso d'aria è di 73 mm e i materiali rimanenti vengono utilizzati per fissare saldamente il campione.Per la maschera assemblata, il lato che tocca il viso è lontano dall'aerosol del materiale fornito.
Sintesi di sfere di lattice di polistirene anioniche monodisperse mediante polimerizzazione in emulsione.Secondo la procedura descritta nello studio precedente, la reazione è stata condotta in modalità semi-batch di fame di monomero.[21, 22] Aggiungere acqua deionizzata (160 ml) in un pallone a fondo tondo a tre colli da 250 ml e metterlo in un bagno d'olio con agitazione.Il pallone è stato quindi spurgato con azoto e al pallone agitato e spurgato è stato aggiunto il monomero di stirene privo di inibitori (2,1 mL).Dopo 10 minuti a 70 °C, aggiungere sodio lauril solfato (0,235 g) sciolto in acqua deionizzata (8 mL).Dopo altri 5 minuti è stato aggiunto persolfato di potassio (0,5 g) sciolto in acqua deionizzata (2 mL).Nelle successive 5 ore, utilizzare una pompa a siringa per iniettare lentamente ulteriore stirene privo di inibitori (20 ml) nel pallone a una velocità di 66 µ l min-1.Dopo che l'infusione di stirene è stata completata, la reazione è proseguita per altre 17 ore.Quindi il pallone è stato aperto e raffreddato per terminare la polimerizzazione.L'emulsione di lattice di polistirene sintetizzata è stata dializzata contro acqua deionizzata in una provetta per dialisi SnakeSkin (cut-off di peso molecolare 3500 Da) per cinque giorni e l'acqua deionizzata è stata sostituita ogni giorno.Rimuovere l'emulsione dalla provetta per dialisi e conservarla in frigorifero a 4°C fino al momento dell'uso.
La diffusione dinamica della luce (DLS) è stata eseguita con l'analizzatore Brookhaven 90Plus, la lunghezza d'onda del laser era di 659 nm e l'angolo del rivelatore era di 90°.Utilizzare il software integrato per la soluzione di particelle (v2.6; Brookhaven Instruments Corporation) per analizzare i dati.La sospensione di lattice viene diluita con acqua deionizzata fino a quando il conteggio delle particelle non è di circa 500 mila conte al secondo (kcps).La dimensione delle particelle è stata determinata in 125 ± 3 nm e la polidispersità riportata era 0,289 ± 0,006.
Un analizzatore di potenziale zeta ZetaPlus (Brookhaven Instruments Corp.) è stato utilizzato per ottenere il valore misurato del potenziale zeta nella modalità di diffusione della luce di analisi di fase.Il campione è stato preparato aggiungendo un'aliquota di lattice a una soluzione di NaCl 5 × 10-3 m e diluendo nuovamente la sospensione di lattice per ottenere un conteggio delle particelle di circa 500 kcps.Sono state eseguite cinque misurazioni ripetute (ciascuna composta da 30 esecuzioni), risultando in un valore del potenziale zeta di -55,1 ± 2,8 mV, dove l'errore rappresenta la deviazione standard del valore medio delle cinque ripetizioni.Queste misurazioni indicano che le particelle sono caricate negativamente e formano una sospensione stabile.I dati sul potenziale DLS e zeta possono essere trovati nelle tabelle informative di supporto S2 e S3.
Abbiamo costruito l'apparecchiatura in conformità con gli standard internazionali ASTM, come descritto di seguito e mostrato nella Figura 1. Il generatore di aerosol del modulo di atomizzazione Blaustein a getto singolo (BLAM; CHTech) viene utilizzato per produrre aerosol contenenti palline di lattice.Il flusso d'aria filtrato (ottenuto attraverso i filtri Whatman 0,3 µm HEPA-CAP e 0,2 µm POLYCAP TF in serie di GE Healthcare) entra nel generatore di aerosol a una pressione di 20 psi (6,9 kPa) e atomizza una parte dei 5 mg L-1 sospensione Il liquido viene iniettato nella sfera di lattice dell'apparecchiatura attraverso una pompa a siringa (KD Scientific Model 100).Le particelle umide aerosolizzate vengono essiccate facendo passare il flusso d'aria in uscita dal generatore di aerosol attraverso uno scambiatore di calore tubolare.Lo scambiatore di calore è costituito da un tubo in acciaio inossidabile da 5/8" avvolto con una serpentina di riscaldamento lunga 8 piedi.L'uscita è 216 W (BriskHeat).In base al quadrante regolabile, la potenza del riscaldatore è impostata al 40% del valore massimo del dispositivo (≈86 W);questo produce una temperatura media della parete esterna di 112 °C (deviazione standard ≈1 °C), che è determinata da una misurazione con termocoppia montata in superficie (Taylor USA).La figura S4 nelle informazioni di supporto riassume le prestazioni del riscaldatore.
Le particelle atomizzate essiccate vengono quindi miscelate con un volume maggiore di aria filtrata per ottenere una portata d'aria totale di 28,3 L min-1 (ovvero 1 piede cubo al minuto).Questo valore è stato scelto perché è la portata precisa del campionamento dello strumento analizzatore di particelle laser a valle del sistema.Il flusso d'aria che trasporta le particelle di lattice viene inviato a una delle due camere verticali identiche (ossia tubi in acciaio inossidabile a pareti lisce): una camera di "controllo" senza materiale della maschera, o una camera di "campione" a taglio circolare, utilizzabile staccabile Il supporto del campione è inserito all'esterno del tessuto.Il diametro interno delle due camere è di 73 mm, che corrisponde al diametro interno del portacampioni.Il supporto del campione utilizza anelli scanalati e bulloni incassati per sigillare saldamente il materiale della maschera, quindi inserire la staffa rimovibile nello spazio vuoto della camera del campione e sigillarla saldamente nel dispositivo con guarnizioni e morsetti in gomma (Figura S2, informazioni di supporto).
Il diametro del campione di tessuto a contatto con il flusso d'aria è di 73 mm (area = 41,9 cm2);viene sigillato nella camera del campione durante il test.Il flusso d'aria in uscita dalla camera di "controllo" o "campione" viene trasferito a un analizzatore di particelle laser (sistema di misurazione delle particelle LASAIR III 110) per misurare il numero e la concentrazione delle particelle di lattice.L'analizzatore di particelle specifica i limiti inferiore e superiore della concentrazione di particelle, rispettivamente 2 × 10-4 e ≈34 particelle per piede cubo (7 e ≈950 000 particelle per piede cubo).Per la misurazione della concentrazione delle particelle di lattice, la concentrazione delle particelle è riportata in una "scatola" con un limite inferiore e un limite superiore di 0,10–0,15 µm, corrispondenti alla dimensione approssimativa delle particelle di lattice singoletto nell'aerosol.Tuttavia, è possibile utilizzare contenitori di altre dimensioni e valutare più contenitori contemporaneamente, con una dimensione massima delle particelle di 5 µm.
L'apparecchiatura comprende anche altre apparecchiature, come apparecchiature per il lavaggio della camera e analizzatore di particelle con aria filtrata pulita, nonché valvole e strumenti necessari (Figura 1).Gli schemi completi delle tubazioni e della strumentazione sono mostrati nella Figura S1 e nella Tabella S1 delle informazioni di supporto.
Durante l'esperimento, la sospensione di lattice è stata iniettata nel generatore di aerosol a una portata compresa tra ≈60 e 100 µL min-1 per mantenere una produzione di particelle stabile, circa 14-25 particelle per centimetro cubo (400 000 per centimetro cubo) 700 000 particelle).Piedi) in un contenitore con una dimensione di 0,10–0,15 µm.Questo intervallo di portata è richiesto a causa delle variazioni osservate nella concentrazione di particelle di lattice a valle del generatore di aerosol, che possono essere attribuite a variazioni nella quantità di sospensione di lattice catturata dalla trappola per liquidi del generatore di aerosol.
Per misurare il PFE di un dato campione di tessuto, l'aerosol di particelle di lattice viene prima trasferito attraverso la sala di controllo e quindi diretto all'analizzatore di particelle.Misurare continuamente la concentrazione di tre particelle in rapida successione, ciascuna della durata di un minuto.L'analizzatore di particelle riporta la concentrazione media temporale delle particelle durante l'analisi, ovvero la concentrazione media delle particelle in un minuto (28,3 L) del campione.Dopo aver eseguito queste misurazioni di base per stabilire un conteggio delle particelle e una portata del gas stabili, l'aerosol viene trasferito nella camera del campione.Una volta che il sistema raggiunge l'equilibrio (di solito 60-90 secondi), vengono eseguite altre tre misurazioni consecutive di un minuto in rapida successione.Queste misurazioni del campione rappresentano la concentrazione di particelle che passano attraverso il campione di tessuto.Successivamente, suddividendo il flusso di aerosol nella sala di controllo, sono state effettuate altre tre misurazioni della concentrazione di particelle dalla sala di controllo per verificare che la concentrazione di particelle a monte non cambiasse sostanzialmente durante l'intero processo di valutazione del campione.Poiché il design delle due camere è lo stesso, tranne per il fatto che la camera del campione può ospitare il supporto del campione, le condizioni di flusso nella camera possono essere considerate le stesse, quindi la concentrazione di particelle nel gas che lascia la camera di controllo e la camera del campione può essere confrontato.
Per preservare la vita dello strumento analizzatore di particelle e rimuovere le particelle di aerosol nel sistema tra ogni test, utilizzare un getto d'aria filtrato HEPA per pulire l'analizzatore di particelle dopo ogni misurazione e pulire la camera del campione prima di cambiare i campioni.Fare riferimento alla Figura S1 nelle informazioni di supporto per un diagramma schematico del sistema di flussaggio dell'aria sul dispositivo PFE.
Questo calcolo rappresenta una singola misurazione PFE "ripetuta" per un singolo campione di materiale ed è equivalente al calcolo PFE in ASTM F2299 (Equazione (2)).
I materiali descritti nel §2.1 sono stati sfidati con aerosol di lattice utilizzando l'attrezzatura PFE descritta nel §2.3 per determinarne l'idoneità come materiali per maschere.La figura 2 mostra le letture ottenute dall'analizzatore di concentrazione di particelle e contemporaneamente vengono misurati i valori di PFE dei tessuti per maglioni e dei materiali di imbottitura.Sono state eseguite tre analisi del campione per un totale di due materiali e sei ripetizioni.Ovviamente, la prima lettura in una serie di tre letture (ombreggiata con un colore più chiaro) è solitamente diversa dalle altre due letture.Ad esempio, la prima lettura differisce dalla media delle altre due letture nelle 12-15 triple nella Figura 2 di oltre il 5%.Questa osservazione è correlata all'equilibrio dell'aria contenente aerosol che scorre attraverso l'analizzatore di particelle.Come discusso in Materiali e metodi, le letture di equilibrio (secondo e terzo controllo e letture del campione) sono state utilizzate per calcolare il PFE rispettivamente nelle tonalità blu scuro e rosso nella Figura 2.Complessivamente, il valore medio di PFE delle tre repliche è del 78% ± 2% per il tessuto del maglione e del 74% ± 2% per il materiale di ovatta di cotone.
Per confrontare le prestazioni del sistema, sono state valutate anche maschere mediche certificate ASTM 2100 (L2, L3) e respiratori NIOSH (N95).Lo standard ASTM F2100 stabilisce che l'efficienza di filtrazione delle particelle submicroniche delle particelle da 0,1 µm delle maschere di livello 2 e di livello 3 sia rispettivamente ≥ 95% e ≥ 98%.[5] Allo stesso modo, i respiratori N95 certificati NIOSH devono mostrare un'efficienza di filtrazione ≥95% per le nanoparticelle di NaCl atomizzate con un diametro medio di 0,075 µm.[24] Rengasamy et al.Secondo i rapporti, maschere N95 simili mostrano un valore PFE del 99,84%–99,98%, [25] Zangmeister et al.Secondo i rapporti, il loro N95 produce un'efficienza di filtrazione minima superiore al 99,9%, [14] mentre Joo et al.Secondo i rapporti, le maschere 3M N95 hanno prodotto il 99% di PFE (particelle da 300 nm), [16] e Hao et al.Il PFE N95 riportato (particelle da 300 nm) è del 94,4%.[17] Per le due maschere N95 contestate da Shakya et al.con sfere di lattice da 0,1 µm, il PFE è sceso all'incirca tra l'80% e il 100%.[19] Quando Lu et al.Utilizzando sfere di lattice della stessa dimensione per valutare le maschere N95, il PFE medio è del 93,8%.[20] I risultati ottenuti utilizzando l'attrezzatura descritta in questo lavoro mostrano che il PFE della maschera N95 è 99,2 ± 0,1%, che è in buon accordo con la maggior parte degli studi precedenti.
Anche le maschere chirurgiche sono state testate in diversi studi.Le mascherine chirurgiche di Hao et al.hanno mostrato un PFE (particelle da 300 nm) del 73,4%, [17] mentre le tre maschere chirurgiche testate da Drewnick et al.Il PFE prodotto varia da circa il 60% a quasi il 100%.[15] (Quest'ultima maschera può essere un modello certificato.) Tuttavia, Zangmeister et al.Secondo i rapporti, l'efficienza di filtrazione minima delle due maschere chirurgiche testate è solo leggermente superiore al 30%, [14] di gran lunga inferiore rispetto alle maschere chirurgiche testate in questo studio.Allo stesso modo, la “maschera chirurgica blu” testata da Joo et al.Dimostra che il PFE (particelle da 300 nm) è solo del 22%.[16] Shakya et al.ha riferito che il PFE delle maschere chirurgiche (che utilizzano particelle di lattice da 0,1 µm) è diminuito all'incirca del 60-80%.[19] Usando palline di lattice della stessa dimensione, la maschera chirurgica di Lu et al. ha prodotto un risultato medio di PFE dell'80,2%.[20] In confronto, il PFE della nostra maschera L2 è 94,2 ± 0,6% e il PFE della maschera L3 è 94,9 ± 0,3%.Sebbene questi PFE superino molti PFE in letteratura, dobbiamo notare che non esiste quasi nessun livello di certificazione menzionato nella ricerca precedente e le nostre maschere chirurgiche hanno ottenuto la certificazione di livello 2 e livello 3.
Allo stesso modo in cui sono stati analizzati i materiali della maschera candidati nella Figura 2, sono stati eseguiti tre test sugli altri sei materiali per determinarne l'idoneità nella maschera e dimostrare il funzionamento del dispositivo PFE.La figura 3 traccia i valori di PFE di tutti i materiali testati e li confronta con i valori di PFE ottenuti valutando i materiali certificati per maschere L3 e N95.Dalle 11 maschere/materiali per maschere candidati selezionati per questo lavoro, è possibile vedere chiaramente un'ampia gamma di prestazioni PFE, che vanno da ≈10% a quasi il 100%, coerentemente con altri studi, [8, 9, 15] e descrittori del settore Non esiste una chiara relazione tra PFE e PFE.Ad esempio, materiali con composizione simile (due campioni di cotone 100% e mussola di cotone) mostrano valori di PFE molto diversi (rispettivamente 14%, 54% e 13%).Ma è essenziale che prestazioni basse (ad esempio, 100% cotone A; PFE ≈ 14%), prestazioni medie (ad esempio, misto cotone/poliestere 70%/30%; PFE ≈ 49%) e alte prestazioni (ad esempio, maglione Tessuto; PFE ≈ 78%) Il tessuto può essere identificato chiaramente utilizzando l'attrezzatura PFE descritta in questo lavoro.Soprattutto i tessuti per maglioni e i materiali per ovatta di cotone hanno ottenuto ottimi risultati, con PFE compresi tra il 70% e l'80%.Tali materiali ad alte prestazioni possono essere identificati e analizzati in modo più dettagliato per comprendere le caratteristiche che contribuiscono alle loro elevate prestazioni di filtrazione.Tuttavia, vogliamo ricordare che poiché i risultati PFE di materiali con descrizioni di settore simili (es. materiali in cotone) sono molto diversi, questi dati non indicano quali materiali sono ampiamente utili per le maschere in tessuto e non intendiamo dedurre le proprietà- categorie materiali.Il rapporto di prestazione.Forniamo esempi specifici per dimostrare la calibrazione, mostrare che la misurazione copre l'intera gamma di possibile efficienza di filtrazione e fornire la dimensione dell'errore di misurazione.
Abbiamo ottenuto questi risultati PFE per dimostrare che la nostra attrezzatura ha un'ampia gamma di capacità di misurazione, un basso errore e confrontata con i dati ottenuti in letteratura.Ad esempio, Zangmeister et al.Vengono riportati i risultati PFE di diversi tessuti di cotone (ad es. "Cotone 1-11") (da 89 a 812 fili per pollice).In 9 degli 11 materiali, l'”efficienza di filtrazione minima” varia da 0% a 25%;il PFE degli altri due materiali è di circa il 32%.[14] Allo stesso modo, Konda et al.Sono riportati i dati PFE di due tessuti di cotone (80 e 600 TPI; 153 e 152 gm-2).Il PFE varia rispettivamente dal 7% al 36% e dal 65% all'85%.Nello studio di Drewnick et al., in tessuti di cotone a strato singolo (ovvero cotone, maglia di cotone, moleton; 139–265 TPI; 80–140 gm–2), la gamma del materiale PFE va dal 10% al 30% circa.Nello studio di Joo et al., il loro materiale in cotone al 100% ha un PFE dell'8% (particelle da 300 nm).Bagheri et al.utilizzato particelle di lattice di polistirene da 0,3 a 0,5 µm.È stato misurato il PFE di sei materiali di cotone (120-200 TPI; 136-237 gm-2), compreso tra lo 0% e il 20%.[18] Pertanto, la maggior parte di questi materiali è in buon accordo con i risultati PFE dei nostri tre tessuti di cotone (cioè Veratex Muslin CT, Fabric Store Cottons A e B) e la loro efficienza di filtrazione media è rispettivamente del 13%, 14% e.54%.Questi risultati indicano che ci sono grandi differenze tra i materiali in cotone e che le proprietà dei materiali che portano a un PFE elevato (cioè il cotone 600 TPI di Konda et al.; il nostro cotone B) sono poco conosciute.
Quando si effettuano questi confronti, ammettiamo che è difficile trovare materiali testati in letteratura che abbiano le stesse caratteristiche (ad es. composizione del materiale, tessitura e lavorazione a maglia, TPI, peso, ecc.) Con i materiali testati in questo studio, e quindi non può essere confrontato direttamente.Inoltre, le differenze negli strumenti utilizzati dagli autori e la mancanza di standardizzazione rendono difficile fare buoni confronti.Tuttavia, è chiaro che il rapporto prestazioni/prestazioni dei tessuti ordinari non è ben compreso.I materiali saranno ulteriormente testati con apparecchiature standardizzate, flessibili e affidabili (come le apparecchiature descritte in questo lavoro) per determinare queste relazioni.
Sebbene vi sia un errore statistico totale (0-5%) tra un singolo replicato (0-4%) ei campioni analizzati in triplicato, l'attrezzatura proposta in questo lavoro si è rivelata uno strumento efficace per testare PFE di vari materiali.Tessuti ordinari a mascherine mediche certificabili.Vale la pena notare che tra gli 11 materiali testati per la Figura 3, l'errore di propagazione σprop supera la deviazione standard tra le misurazioni del PFE di un singolo campione, ovvero il σsd di 9 su 11 materiali;queste due eccezioni si verificano in valori PFE molto alti (ad es. maschera L2 e L3).Sebbene i risultati presentati da Rengasamy et al.Dimostrando che la differenza tra i campioni ripetuti è piccola (vale a dire, cinque ripetizioni <0,29%), [25] hanno studiato materiali con elevate proprietà di filtraggio note progettati specificamente per la produzione di maschere: il materiale stesso potrebbe essere più uniforme e anche il test è questo l'area dell'intervallo PFE potrebbe essere più coerente.Nel complesso, i risultati ottenuti utilizzando le nostre apparecchiature sono coerenti con i dati PFE e gli standard di certificazione ottenuti da altri ricercatori.
Sebbene il PFE sia un indicatore importante per misurare le prestazioni di una maschera, a questo punto dobbiamo ricordare ai lettori che un'analisi completa dei futuri materiali delle maschere deve considerare altri fattori, ovvero la permeabilità del materiale (ovvero attraverso la caduta di pressione o il test di pressione differenziale ).Ci sono regolamenti in ASTM F2100 e F3502.Una traspirabilità accettabile è essenziale per il comfort di chi lo indossa e per prevenire la fuoriuscita del bordo della maschera durante la respirazione.Poiché il PFE e la permeabilità all'aria di molti materiali comuni sono generalmente inversamente proporzionali, la misurazione della caduta di pressione deve essere eseguita insieme alla misurazione del PFE per valutare in modo più completo le prestazioni del materiale della maschera.
Raccomandiamo che le linee guida per la costruzione di apparecchiature PFE in conformità con ASTM F2299 siano essenziali per il miglioramento continuo degli standard, la generazione di dati di ricerca che possono essere confrontati tra i laboratori di ricerca e il miglioramento della filtrazione dell'aerosol.Fare affidamento solo sullo standard NIOSH (o F3502), che specifica un singolo dispositivo (TSI 8130A) e limita i ricercatori dall'acquisto di dispositivi chiavi in mano (ad esempio, i sistemi TSI).L'affidamento a sistemi standardizzati come la TSI 8130A è importante per l'attuale certificazione standard, ma limita lo sviluppo di maschere, respiratori e altre tecnologie di filtrazione dell'aerosol che vanno contro i progressi della ricerca.Vale la pena notare che lo standard NIOSH è stato sviluppato come metodo per testare i respiratori nelle condizioni difficili previste quando è necessaria questa attrezzatura, ma al contrario, le maschere chirurgiche sono testate con i metodi ASTM F2100/F2299.La forma e lo stile delle maschere comunitarie sono più simili alle maschere chirurgiche, il che non significa che abbiano eccellenti prestazioni di efficienza di filtrazione come N95.Se le mascherine chirurgiche sono ancora valutate secondo ASTM F2100/F2299, i tessuti ordinari devono essere analizzati utilizzando un metodo più vicino all'ASTM F2100/F2299.Inoltre, ASTM F2299 consente una maggiore flessibilità in diversi parametri (come la portata d'aria e la velocità superficiale negli studi sull'efficienza della filtrazione), che possono renderlo uno standard approssimativo superiore in un ambiente di ricerca.
Tempo di pubblicazione: 30-ago-2021