Centre of Excellence for Protective Equipment and Materials (CEPEM), 1280 Main St. W., Hamilton, ON, Καναδάς
Χρησιμοποιήστε τον παρακάτω σύνδεσμο για να μοιραστείτε την πλήρη έκδοση αυτού του άρθρου με τους φίλους και τους συναδέλφους σας.Μάθε περισσότερα.
Οι υπηρεσίες δημόσιας υγείας συνιστούν στις κοινότητες να χρησιμοποιούν μάσκες για να μειώσουν την εξάπλωση αερομεταφερόμενων ασθενειών όπως ο COVID-19.Όταν η μάσκα λειτουργεί ως φίλτρο υψηλής απόδοσης, η εξάπλωση του ιού θα μειωθεί, επομένως είναι σημαντικό να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος σωματιδίων (PFE) της μάσκας.Ωστόσο, το υψηλό κόστος και οι μεγάλοι χρόνοι παράδοσης που σχετίζονται με την αγορά ενός συστήματος PFE με το κλειδί στο χέρι ή την πρόσληψη ενός διαπιστευμένου εργαστηρίου εμποδίζουν τη δοκιμή των υλικών φίλτρων.Υπάρχει σαφώς ανάγκη για ένα «προσαρμοσμένο» σύστημα δοκιμών PFE.Ωστόσο, τα διάφορα πρότυπα που ορίζουν τη δοκιμή PFE των (ιατρικών) μασκών (για παράδειγμα, ASTM International, NIOSH) ποικίλλουν σημαντικά ως προς τη σαφήνεια των πρωτοκόλλων και των κατευθυντήριων οδηγιών τους.Εδώ, περιγράφεται η ανάπτυξη ενός «εσωτερικού» συστήματος PFE και μεθόδου για τη δοκιμή μασκών στο πλαίσιο των τρεχόντων προτύπων ιατρικής μάσκας.Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα ASTM, το σύστημα χρησιμοποιεί αερολύματα σφαιρών λατέξ (ονομαστικό μέγεθος 0,1 μm) και χρησιμοποιεί αναλυτή σωματιδίων λέιζερ για τη μέτρηση της συγκέντρωσης σωματιδίων ανάντη και κατάντη του υλικού της μάσκας.Εκτελέστε μετρήσεις PFE σε διάφορα κοινά υφάσματα και ιατρικές μάσκες.Η μέθοδος που περιγράφεται σε αυτή την εργασία πληροί τα τρέχοντα πρότυπα δοκιμών PFE, ενώ παρέχει ευελιξία για προσαρμογή στις μεταβαλλόμενες ανάγκες και τις συνθήκες φιλτραρίσματος.
Οι υπηρεσίες δημόσιας υγείας συνιστούν στον γενικό πληθυσμό να φορά μάσκες για τον περιορισμό της εξάπλωσης του COVID-19 και άλλων ασθενειών που μεταδίδονται με σταγονίδια και αεροζόλ.[1] Η απαίτηση να φοράτε μάσκες είναι αποτελεσματική στη μείωση της μετάδοσης και [2] υποδηλώνει ότι οι μη δοκιμασμένες μάσκες κοινότητας παρέχουν χρήσιμο φιλτράρισμα.Στην πραγματικότητα, μελέτες μοντελοποίησης έχουν δείξει ότι η μείωση της μετάδοσης του COVID-19 είναι σχεδόν ανάλογη με το συνδυασμένο προϊόν αποτελεσματικότητας μάσκας και ποσοστού υιοθεσίας, και αυτά και άλλα μέτρα βάσει πληθυσμού έχουν συνεργιστική επίδραση στη μείωση των νοσηλειών και των θανάτων.[3]
Ο αριθμός των πιστοποιημένων ιατρικών μασκών και αναπνευστικών συσκευών που απαιτούνται από την υγειονομική περίθαλψη και άλλους εργαζόμενους πρώτης γραμμής έχει αυξηθεί δραματικά, θέτοντας προκλήσεις στις υπάρχουσες αλυσίδες παραγωγής και εφοδιασμού και αναγκάζοντας τους νέους κατασκευαστές να δοκιμάζουν και να πιστοποιούν γρήγορα νέα υλικά.Οργανισμοί όπως το ASTM International και το Εθνικό Ινστιτούτο Επαγγελματικής Ασφάλειας και Υγείας (NIOSH) έχουν αναπτύξει τυποποιημένες μεθόδους για τη δοκιμή ιατρικών μασκών.Ωστόσο, οι λεπτομέρειες αυτών των μεθόδων ποικίλλουν πολύ και κάθε οργανισμός έχει θεσπίσει τα δικά του πρότυπα απόδοσης.
Η απόδοση φιλτραρίσματος σωματιδίων (PFE) είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό μιας μάσκας, επειδή σχετίζεται με την ικανότητά της να φιλτράρει μικρά σωματίδια όπως τα αερολύματα.Οι ιατρικές μάσκες πρέπει να πληρούν συγκεκριμένους στόχους PFE[4-6] προκειμένου να πιστοποιούνται από ρυθμιστικούς φορείς όπως η ASTM International ή η NIOSH.Οι χειρουργικές μάσκες είναι πιστοποιημένες από την ASTM και οι αναπνευστήρες N95 είναι πιστοποιημένοι από τη NIOSH, αλλά και οι δύο μάσκες πρέπει να περνούν συγκεκριμένες τιμές αποκοπής PFE.Για παράδειγμα, οι μάσκες N95 πρέπει να επιτυγχάνουν διήθηση 95% για αερολύματα που αποτελούνται από σωματίδια άλατος με μέση διάμετρο μέτρησης 0,075 μm, ενώ οι χειρουργικές μάσκες ASTM 2100 L3 πρέπει να επιτυγχάνουν διήθηση 98% για αερολύματα που αποτελούνται από μπάλες λατέξ με μέση διάμετρο φίλτρου 0,1 μm .
Οι δύο πρώτες επιλογές είναι ακριβές (>1.000$ ανά δείγμα δοκιμής, που εκτιμάται ότι είναι >150.000$ για καθορισμένο εξοπλισμό) και κατά τη διάρκεια της πανδημίας COVID-19, υπάρχουν καθυστερήσεις λόγω μεγάλων χρόνων παράδοσης και προβλημάτων εφοδιασμού.Το υψηλό κόστος των δοκιμών PFE και τα περιορισμένα δικαιώματα πρόσβασης —σε συνδυασμό με την έλλειψη συνεκτικής καθοδήγησης για τυποποιημένες αξιολογήσεις απόδοσης— οδήγησαν τους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία προσαρμοσμένων συστημάτων δοκιμών, τα οποία συχνά βασίζονται σε ένα ή περισσότερα πρότυπα για πιστοποιημένες ιατρικές μάσκες.
Ο ειδικός εξοπλισμός δοκιμής υλικού μάσκας που βρίσκεται στην υπάρχουσα βιβλιογραφία είναι συνήθως παρόμοιος με τα προαναφερθέντα πρότυπα NIOSH ή ASTM F2100/F2299.Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν τη δυνατότητα να επιλέξουν ή να αλλάξουν τις παραμέτρους σχεδιασμού ή λειτουργίας σύμφωνα με τις προτιμήσεις τους.Για παράδειγμα, έχουν χρησιμοποιηθεί αλλαγές στην ταχύτητα της επιφάνειας του δείγματος, στην ταχύτητα ροής αέρα/αερολύματος, στο μέγεθος του δείγματος (εμβαδόν) και στη σύνθεση σωματιδίων αερολύματος.Πολλές πρόσφατες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει προσαρμοσμένο εξοπλισμό για την αξιολόγηση των υλικών μάσκας.Αυτός ο εξοπλισμός χρησιμοποιεί αερολύματα χλωριούχου νατρίου και είναι κοντά στα πρότυπα NIOSH.Για παράδειγμα, οι Rogak et al.(2020), Zangmeister et al.(2020), Drunic et al.(2020) και Joo et al.(2021) Όλος ο κατασκευασμένος εξοπλισμός θα παράγει αεροζόλ χλωριούχου νατρίου (διάφορα μεγέθη), το οποίο εξουδετερώνεται με ηλεκτρικό φορτίο, αραιώνεται με φιλτραρισμένο αέρα και αποστέλλεται στο δείγμα υλικού, όπου ο οπτικός μετρητής σωματιδίων, συμπυκνωμένα σωματίδια διαφόρων μετρήσεων συνδυασμένης συγκέντρωσης σωματιδίων [9, 14-16] Konda et al.(2020) και Hao et al.(2020) Κατασκευάστηκε μια παρόμοια συσκευή, αλλά ο εξουδετερωτής φόρτισης δεν συμπεριλήφθηκε.[8, 17] Σε αυτές τις μελέτες, η ταχύτητα του αέρα στο δείγμα κυμαινόταν μεταξύ 1 και 90 L min-1 (μερικές φορές για την ανίχνευση επιδράσεων ροής/ταχύτητας).Ωστόσο, η επιφανειακή ταχύτητα ήταν μεταξύ 5,3 και 25 cm s-1 μεταξύ.Το μέγεθος του δείγματος φαίνεται να κυμαίνεται μεταξύ ≈3,4 και 59 cm2.
Αντίθετα, ελάχιστες είναι οι μελέτες για την αξιολόγηση των υλικών μάσκας μέσω εξοπλισμού που χρησιμοποιεί αεροζόλ λατέξ, που είναι κοντά στο πρότυπο ASTM F2100/F2299.Για παράδειγμα, οι Bagheri et al.(2021), Shakya et al.(2016) και Lu et al.(2020) Κατασκεύασε μια συσκευή για την παραγωγή αερολύματος λατέξ πολυστυρενίου, το οποίο αραιώθηκε και στάλθηκε σε δείγματα υλικού, όπου χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι αναλυτές σωματιδίων ή αναλυτές μεγέθους σωματιδίων με κινητικότητα σάρωσης για τη μέτρηση της συγκέντρωσης σωματιδίων.[18-20] Και οι Lu et al.Ένας εξουδετερωτής φορτίου χρησιμοποιήθηκε κατάντη της γεννήτριας αερολύματός τους, και οι συγγραφείς των άλλων δύο μελετών δεν το έκαναν.Ο ρυθμός ροής αέρα στο δείγμα άλλαξε επίσης ελαφρώς —αλλά εντός των ορίων του προτύπου F2299—από ≈7,3 σε 19 L min-1.Η ταχύτητα της επιφάνειας του αέρα που μελετήθηκε από τους Bagheri et al.είναι 2 και 10 cm s–1 (εντός του τυπικού εύρους), αντίστοιχα.Και οι Lu et al., και Shakya et al.[18-20] Επιπλέον, ο συγγραφέας και οι Shakya et al.δοκιμασμένες σφαίρες λατέξ διαφόρων μεγεθών (δηλαδή, συνολικά, 20 nm έως 2500 nm).Και οι Lu et al.Τουλάχιστον σε ορισμένες από τις δοκιμές τους, χρησιμοποιούν το καθορισμένο μέγεθος σωματιδίων 100 nm (0,1 μm).
Σε αυτή την εργασία, περιγράφουμε τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε στη δημιουργία μιας συσκευής PFE που συμμορφώνεται με τα υπάρχοντα πρότυπα ASTM F2100/F2299 όσο το δυνατόν περισσότερο.Μεταξύ των κύριων δημοφιλών προτύπων (π.χ. NIOSH και ASTM F2100/F2299), το πρότυπο ASTM παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία στις παραμέτρους (όπως ο ρυθμός ροής αέρα) για τη μελέτη της απόδοσης φιλτραρίσματος που μπορεί να επηρεάσει το PFE σε μη ιατρικές μάσκες.Ωστόσο, όπως αποδείχθηκε, αυτή η ευελιξία παρέχει ένα πρόσθετο επίπεδο πολυπλοκότητας στο σχεδιασμό τέτοιου εξοπλισμού.
Τα χημικά αγοράστηκαν από τη Sigma-Aldrich και χρησιμοποιήθηκαν ως έχουν.Το μονομερές στυρολίου (≥99%) καθαρίζεται μέσω μιας γυάλινης στήλης που περιέχει ένα αφαίρεσης αναστολέα αλουμίνας, το οποίο έχει σχεδιαστεί για την αφαίρεση της τριτ-βουτυλοκατεχόλης.Το απιονισμένο νερό (≈0,037 μS cm–1) προέρχεται από το σύστημα καθαρισμού νερού Sartorius Arium.
100% βαμβακερή απλή ύφανση (Muslin CT) με ονομαστικό βάρος 147 gm-2 προέρχεται από την Veratex Lining Ltd., QC και το μείγμα μπαμπού/σπάντεξ προέρχεται από την D. Zinman Textiles, QC.Άλλα υποψήφια υλικά μάσκας προέρχονται από τοπικούς λιανοπωλητές υφασμάτων (Fabricland).Αυτά τα υλικά περιλαμβάνουν δύο διαφορετικά υφάσματα από 100% βαμβάκι (με διαφορετικές στάμπες), ένα πλεκτό ύφασμα από βαμβάκι/σπάντεξ, δύο πλεκτά υφάσματα από βαμβάκι/πολυεστέρα (ένα "universal" και ένα "ύφασμα πουλόβερ") και ένα μη υφασμένο βαμβάκι/πολυπροπυλένιο σε ανάμειξη βαμβακερό υλικό κτυπήματος.Ο Πίνακας 1 δείχνει μια περίληψη των γνωστών ιδιοτήτων του υφάσματος.Προκειμένου να συγκριθεί ο νέος εξοπλισμός, αποκτήθηκαν πιστοποιημένες ιατρικές μάσκες από τοπικά νοσοκομεία, συμπεριλαμβανομένων των πιστοποιημένων ιατρικών μασκών ASTM 2100 Level 2 (L2) και Level 3 (L3; Halyard) και αναπνευστικών συσκευών N95 (3M).
Ένα κυκλικό δείγμα διαμέτρου περίπου 85 mm κόπηκε από κάθε προς δοκιμή υλικό.δεν έγιναν περαιτέρω τροποποιήσεις στο υλικό (για παράδειγμα, πλύσιμο).Σφίξτε τον υφασμάτινο βρόχο στη θήκη δειγμάτων της συσκευής PFE για δοκιμή.Η πραγματική διάμετρος του δείγματος σε επαφή με τη ροή αέρα είναι 73 mm, και τα υπόλοιπα υλικά χρησιμοποιούνται για τη στερέωση του δείγματος.Για τη συναρμολογημένη μάσκα, η πλευρά που αγγίζει το πρόσωπο είναι μακριά από το αεροζόλ του παρεχόμενου υλικού.
Σύνθεση μονοδιασπαρμένων σφαιρών λατέξ ανιονικού πολυστυρενίου με πολυμερισμό γαλακτώματος.Σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφηκε στην προηγούμενη μελέτη, η αντίδραση διεξήχθη σε τρόπο ημι-παρτίδας ασιτίας από μονομερή.[21, 22] Προσθέστε απιονισμένο νερό (160 mL) σε τρίλαιμη φιάλη 250 mL με στρογγυλό πυθμένα και τοποθετήστε το σε αναδευόμενο λουτρό λαδιού.Στη συνέχεια η φιάλη καθαρίστηκε με άζωτο και προστέθηκε μονομερές στυρολίου χωρίς αναστολέα (2,1 mL) στην καθαρισμένη, αναδευόμενη φιάλη.Μετά από 10 λεπτά στους 70 °C, προσθέστε λαυρυλοθειικό νάτριο (0,235 g) διαλυμένο σε απιονισμένο νερό (8 mL).Μετά από άλλα 5 λεπτά, προστέθηκε υπερθειικό κάλιο (0,5 g) διαλυμένο σε απιονισμένο νερό (2 mL).Τις επόμενες 5 ώρες, χρησιμοποιήστε μια αντλία σύριγγας για να εγχύσετε αργά επιπλέον στυρένιο χωρίς αναστολείς (20 mL) στη φιάλη με ρυθμό 66 μL min-1.Αφού ολοκληρώθηκε η έγχυση στυρενίου, η αντίδραση συνεχίστηκε για άλλες 17 ώρες.Στη συνέχεια η φιάλη ανοίχτηκε και ψύχθηκε για να τερματιστεί ο πολυμερισμός.Το συντιθέμενο γαλάκτωμα λατέξ πολυστυρενίου υποβλήθηκε σε διαπίδυση έναντι απιονισμένου νερού σε σωλήνα αιμοκάθαρσης SnakeSkin (αποκοπή μοριακού βάρους 3500 Da) για πέντε ημέρες και το απιονισμένο νερό αντικαταστάθηκε κάθε μέρα.Αφαιρέστε το γαλάκτωμα από το σωληνάριο αιμοκάθαρσης και φυλάξτε το σε ψυγείο στους 4°C μέχρι να το χρησιμοποιήσετε.
Πραγματοποιήθηκε δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) με τον αναλυτή Brookhaven 90Plus, το μήκος κύματος του λέιζερ ήταν 659 nm και η γωνία του ανιχνευτή ήταν 90°.Χρησιμοποιήστε το ενσωματωμένο λογισμικό λύσης σωματιδίων (v2.6; Brookhaven Instruments Corporation) για να αναλύσετε τα δεδομένα.Το εναιώρημα λατέξ αραιώνεται με απιονισμένο νερό έως ότου ο αριθμός σωματιδίων είναι περίπου 500 χιλιάδες μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο (kcps).Το μέγεθος σωματιδίου προσδιορίστηκε να είναι 125 ± 3 nm και η αναφερόμενη πολυδιασπορά ήταν 0,289 ± 0,006.
Ένας αναλυτής δυναμικού ζήτα ZetaPlus (Brookhaven Instruments Corp.) χρησιμοποιήθηκε για να ληφθεί η μετρούμενη τιμή του δυναμικού ζήτα στη λειτουργία σκέδασης φωτός ανάλυσης φάσης.Το δείγμα παρασκευάστηκε προσθέτοντας ένα κλάσμα λατέξ σε διάλυμα NaCl 5 × 10-3 m και αραιώνοντας ξανά το εναιώρημα λατέξ για να επιτευχθεί μέτρηση σωματιδίων περίπου 500 kcps.Πραγματοποιήθηκαν πέντε επαναλαμβανόμενες μετρήσεις (η καθεμία αποτελούμενη από 30 εκτελέσεις), με αποτέλεσμα μια τιμή ζήτα δυναμικού -55,1 ± 2,8 mV, όπου το σφάλμα αντιπροσωπεύει την τυπική απόκλιση της μέσης τιμής των πέντε επαναλήψεων.Αυτές οι μετρήσεις δείχνουν ότι τα σωματίδια είναι αρνητικά φορτισμένα και σχηματίζουν ένα σταθερό εναιώρημα.Τα δεδομένα DLS και δυναμικού ζήτα μπορούν να βρεθούν στους υποστηρικτικούς πίνακες πληροφοριών S2 και S3.
Κατασκευάσαμε τον εξοπλισμό σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα ASTM, όπως περιγράφεται παρακάτω και φαίνεται στο Σχήμα 1. Η γεννήτρια αερολύματος μονάδας ψεκασμού Blaustein single-jet (BLAM; CHTech) χρησιμοποιείται για την παραγωγή αερολυμάτων που περιέχουν μπάλες λατέξ.Το φιλτραρισμένο ρεύμα αέρα (που λαμβάνεται μέσω των φίλτρων GE Healthcare Whatman 0,3 μm HEPA-CAP και 0,2 μm POLYCAP TF σε σειρά) εισέρχεται στη γεννήτρια αερολύματος σε πίεση 20 psi (6,9 kPa) και ψεκάζει ένα μέρος των 5 mg L-1 εναιώρημα Το υγρό εγχέεται στη σφαίρα λατέξ του εξοπλισμού μέσω μιας αντλίας σύριγγας (KD Scientific Model 100).Τα υγρά σωματίδια αερολύματος ξηραίνονται περνώντας το ρεύμα αέρα αφήνοντας τη γεννήτρια αερολύματος μέσω ενός σωληνωτού εναλλάκτη θερμότητας.Ο εναλλάκτης θερμότητας αποτελείται από σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα 5/8" τυλιγμένο με θερμαντικό στοιχείο μήκους 8 ποδιών.Η έξοδος είναι 216 W (BriskHeat).Σύμφωνα με τον ρυθμιζόμενο επιλογέα του, η απόδοση του θερμαντήρα ρυθμίζεται στο 40% της μέγιστης τιμής της συσκευής (≈86 W).Αυτό παράγει μια μέση θερμοκρασία εξωτερικού τοιχώματος 112 °C (τυπική απόκλιση ≈1 °C), η οποία προσδιορίζεται από μια μέτρηση επιφανειακά τοποθετημένου θερμοστοιχείου (Taylor USA).Το σχήμα S4 στις υποστηρικτικές πληροφορίες συνοψίζει την απόδοση του θερμαντήρα.
Τα αποξηραμένα εξατμισμένα σωματίδια στη συνέχεια αναμιγνύονται με μεγαλύτερο όγκο φιλτραρισμένου αέρα για να επιτευχθεί συνολική ταχύτητα ροής αέρα 28,3 L min-1 (δηλαδή 1 κυβικό πόδι ανά λεπτό).Αυτή η τιμή επιλέχθηκε επειδή είναι ο ακριβής ρυθμός ροής του οργάνου ανάλυσης σωματιδίων λέιζερ που λαμβάνει δειγματοληψία κατάντη του συστήματος.Το ρεύμα αέρα που μεταφέρει τα σωματίδια λατέξ αποστέλλεται σε έναν από τους δύο πανομοιότυπους κατακόρυφους θαλάμους (δηλ. σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα με λεία τοιχώματα): έναν θάλαμο "ελέγχου" χωρίς υλικό μάσκας ή έναν θάλαμο "δείγματος" κυκλικής κοπής με δυνατότητα αποσπώμενης χρήσης Η θήκη δείγματος εισάγεται έξω από το ύφασμα.Η εσωτερική διάμετρος των δύο θαλάμων είναι 73 mm, η οποία ταιριάζει με την εσωτερική διάμετρο της θήκης δείγματος.Η θήκη δείγματος χρησιμοποιεί αυλακωτούς δακτυλίους και χωνευτούς κοχλίες για να σφραγίσει καλά το υλικό της μάσκας και, στη συνέχεια, τοποθετήστε το αποσπώμενο στήριγμα στο διάκενο του θαλάμου δείγματος και σφραγίστε το σφιχτά στη συσκευή με ελαστικά παρεμβύσματα και σφιγκτήρες (Εικόνα S2, πληροφορίες υποστήριξης).
Η διάμετρος του δείγματος υφάσματος σε επαφή με τη ροή αέρα είναι 73 mm (εμβαδόν = 41,9 cm2).σφραγίζεται στο θάλαμο δείγματος κατά τη διάρκεια της δοκιμής.Η ροή αέρα που βγαίνει από τον θάλαμο «ελέγχου» ή «δείγματος» μεταφέρεται σε έναν αναλυτή σωματιδίων λέιζερ (σύστημα μέτρησης σωματιδίων LASAIR III 110) για τη μέτρηση του αριθμού και της συγκέντρωσης των σωματιδίων λατέξ.Ο αναλυτής σωματιδίων καθορίζει το κατώτερο και το ανώτερο όριο συγκέντρωσης σωματιδίων, αντίστοιχα 2 × 10-4 και ≈34 σωματίδια ανά κυβικό πόδι (7 και ≈950 000 σωματίδια ανά κυβικό πόδι).Για τη μέτρηση της συγκέντρωσης σωματιδίων λατέξ, η συγκέντρωση σωματιδίων αναφέρεται σε ένα «κουτί» με ένα κατώτερο όριο και ένα ανώτερο όριο 0,10–0,15 μm, που αντιστοιχεί στο κατά προσέγγιση μέγεθος των σωματιδίων λάτεξ μεμονωμένων σωματιδίων στο αεροζόλ.Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλα μεγέθη κάδου και μπορούν να αξιολογηθούν πολλαπλοί κάδοι ταυτόχρονα, με μέγιστο μέγεθος σωματιδίων 5 μm.
Ο εξοπλισμός περιλαμβάνει επίσης άλλο εξοπλισμό, όπως εξοπλισμό για την έκπλυση του θαλάμου και του αναλυτή σωματιδίων με καθαρό φιλτραρισμένο αέρα, καθώς και απαραίτητες βαλβίδες και όργανα (Εικόνα 1).Τα πλήρη διαγράμματα σωληνώσεων και οργάνων φαίνονται στο Σχήμα S1 και στον Πίνακα S1 των πληροφοριών υποστήριξης.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το εναιώρημα λατέξ εγχύθηκε στη γεννήτρια αερολύματος με ρυθμό ροής ≈60 έως 100 µL min-1 για να διατηρηθεί σταθερή παραγωγή σωματιδίων, περίπου 14-25 σωματίδια ανά κυβικό εκατοστό (400 000 ανά κυβικό εκατοστό) 700 000 σωματίδια).Πόδια) σε κάδο μεγέθους 0,10–0,15 μm.Αυτό το εύρος ρυθμού ροής απαιτείται λόγω των παρατηρούμενων αλλαγών στη συγκέντρωση των σωματιδίων λατέξ κατάντη της γεννήτριας αερολύματος, οι οποίες μπορεί να αποδοθούν σε αλλαγές στην ποσότητα του εναιωρήματος λατέξ που δεσμεύεται από την παγίδα υγρού της γεννήτριας αερολύματος.
Προκειμένου να μετρηθεί η PFE ενός δεδομένου δείγματος υφάσματος, το αεροζόλ σωματιδίων λατέξ μεταφέρεται πρώτα μέσω του δωματίου ελέγχου και στη συνέχεια κατευθύνεται στον αναλυτή σωματιδίων.Μετρήστε συνεχώς τη συγκέντρωση τριών σωματιδίων σε γρήγορη διαδοχή, το καθένα από τα οποία διαρκεί ένα λεπτό.Ο αναλυτής σωματιδίων αναφέρει τη μέση χρονική συγκέντρωση των σωματιδίων κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, δηλαδή τη μέση συγκέντρωση σωματιδίων σε ένα λεπτό (28,3 L) του δείγματος.Μετά τη λήψη αυτών των βασικών μετρήσεων για να καθοριστεί σταθερός αριθμός σωματιδίων και ρυθμός ροής αερίου, το αεροζόλ μεταφέρεται στο θάλαμο δείγματος.Μόλις το σύστημα φτάσει σε ισορροπία (συνήθως 60-90 δευτερόλεπτα), γίνονται άλλες τρεις διαδοχικές μετρήσεις ενός λεπτού σε γρήγορη διαδοχή.Αυτές οι μετρήσεις δείγματος αντιπροσωπεύουν τη συγκέντρωση των σωματιδίων που διέρχονται από το δείγμα υφάσματος.Στη συνέχεια, μοιράζοντας τη ροή του αερολύματος πίσω στο δωμάτιο ελέγχου, ελήφθησαν άλλες τρεις μετρήσεις συγκέντρωσης σωματιδίων από το δωμάτιο ελέγχου για να επαληθευτεί ότι η συγκέντρωση σωματιδίων ανάντη δεν άλλαξε ουσιαστικά κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας αξιολόγησης του δείγματος.Δεδομένου ότι ο σχεδιασμός των δύο θαλάμων είναι ο ίδιος - εκτός από το ότι ο θάλαμος δειγμάτων μπορεί να φιλοξενήσει τη θήκη δείγματος - οι συνθήκες ροής στον θάλαμο μπορούν να θεωρηθούν ίδιες, επομένως η συγκέντρωση των σωματιδίων στο αέριο που βγαίνει από τον θάλαμο ελέγχου και τον θάλαμο δείγματος μπορεί να συγκριθεί.
Για να διατηρήσετε τη διάρκεια ζωής του οργάνου του αναλυτή σωματιδίων και να αφαιρέσετε τα σωματίδια αερολύματος στο σύστημα μεταξύ κάθε δοκιμής, χρησιμοποιήστε πίδακα αέρα φιλτραρισμένου HEPA για να καθαρίσετε τον αναλυτή σωματιδίων μετά από κάθε μέτρηση και καθαρίστε το θάλαμο δειγμάτων πριν αλλάξετε δείγματα.Ανατρέξτε στο Σχήμα S1 στις πληροφορίες υποστήριξης για ένα σχηματικό διάγραμμα του συστήματος έκπλυσης αέρα στη συσκευή PFE.
Αυτός ο υπολογισμός αντιπροσωπεύει μια μεμονωμένη "επαναλαμβανόμενη" μέτρηση PFE για ένα μεμονωμένο δείγμα υλικού και είναι ισοδύναμος με τον υπολογισμό PFE στο ASTM F2299 (Εξίσωση (2)).
Τα υλικά που περιγράφονται στην §2.1 προκλήθηκαν με αερολύματα λατέξ χρησιμοποιώντας τον εξοπλισμό PFE που περιγράφεται στην §2.3 για να προσδιοριστεί η καταλληλότητά τους ως υλικά μάσκας.Το Σχήμα 2 δείχνει τις μετρήσεις που λαμβάνονται από τον αναλυτή συγκέντρωσης σωματιδίων και οι τιμές PFE των υφασμάτων πουλόβερ και των υλικών κτυπήματος μετρώνται ταυτόχρονα.Πραγματοποιήθηκαν τρεις αναλύσεις δειγμάτων για συνολικά δύο υλικά και έξι επαναλήψεις.Προφανώς, η πρώτη ανάγνωση σε ένα σύνολο τριών αναγνώσεων (σκιασμένη με πιο ανοιχτό χρώμα) είναι συνήθως διαφορετική από τις άλλες δύο αναγνώσεις.Για παράδειγμα, η πρώτη ανάγνωση διαφέρει από τον μέσο όρο των άλλων δύο αναγνώσεων στις 12-15 τριάδες στο Σχήμα 2 κατά περισσότερο από 5%.Αυτή η παρατήρηση σχετίζεται με την ισορροπία του αέρα που περιέχει αεροζόλ που ρέει μέσω του αναλυτή σωματιδίων.Όπως συζητήθηκε στα Υλικά και Μέθοδοι, οι μετρήσεις ισορροπίας (δεύτερος και τρίτος έλεγχος και μετρήσεις δείγματος) χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του PFE σε σκούρο μπλε και κόκκινο αποχρώσεις στο Σχήμα 2, αντίστοιχα.Συνολικά, η μέση τιμή PFE των τριών επαναλήψεων είναι 78% ± 2% για το ύφασμα πουλόβερ και 74% ± 2% για το υλικό βαμβακερής μπλούζας.
Για τη συγκριτική αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος, αξιολογήθηκαν επίσης ιατρικές μάσκες με πιστοποίηση ASTM 2100 (L2, L3) και αναπνευστήρες NIOSH (N95).Το πρότυπο ASTM F2100 ορίζει την αποτελεσματικότητα διήθησης σωματιδίων κάτω του μικρού των σωματιδίων 0,1 μm μάσκας επιπέδου 2 και επιπέδου 3 σε ≥ 95% και ≥ 98%, αντίστοιχα.[5] Ομοίως, οι αναπνευστήρες N95 με πιστοποίηση NIOSH πρέπει να παρουσιάζουν απόδοση φιλτραρίσματος ≥95% για εξατμισμένα νανοσωματίδια NaCl με μέση διάμετρο 0,075 μm.[24] Rengasamy et al.Σύμφωνα με αναφορές, παρόμοιες μάσκες N95 εμφανίζουν τιμή PFE 99,84%–99,98%, [25] Zangmeister et al.Σύμφωνα με αναφορές, το N95 τους παράγει μια ελάχιστη απόδοση φιλτραρίσματος μεγαλύτερη από 99,9%, [14] ενώ ο Joo et al.Σύμφωνα με αναφορές, οι μάσκες 3M N95 παρήγαγαν το 99% του PFE (σωματίδια 300 nm), [16] και οι Hao et al.Το αναφερόμενο N95 PFE (σωματίδια 300 nm) είναι 94,4%.[17] Για τις δύο μάσκες N95 που αμφισβητήθηκαν από τους Shakya et al.με μπάλες λατέξ 0,1 μm, το PFE έπεσε περίπου μεταξύ 80% και 100%.[19] Όταν οι Lu et al.Χρησιμοποιώντας μπάλες λατέξ ίδιου μεγέθους για την αξιολόγηση των μασκών N95, η μέση PFE αναφέρεται ότι είναι 93,8%.[20] Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας τον εξοπλισμό που περιγράφεται σε αυτή την εργασία δείχνουν ότι το PFE της μάσκας N95 είναι 99,2 ± 0,1%, το οποίο συμφωνεί καλά με τις περισσότερες προηγούμενες μελέτες.
Οι χειρουργικές μάσκες έχουν επίσης δοκιμαστεί σε αρκετές μελέτες.Οι χειρουργικές μάσκες των Hao et al.εμφάνισαν PFE (σωματίδια 300 nm) 73,4%, [17] ενώ οι τρεις χειρουργικές μάσκες που δοκιμάστηκαν από τους Drewnick et al.Το παραγόμενο PFE κυμαίνεται από περίπου 60% έως σχεδόν 100%.[15] (Η τελευταία μάσκα μπορεί να είναι πιστοποιημένο μοντέλο.) Ωστόσο, οι Zangmeister et al.Σύμφωνα με αναφορές, η ελάχιστη αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος των δύο χειρουργικών μασκών που δοκιμάστηκαν είναι ελαφρώς υψηλότερη από 30%, [14] πολύ χαμηλότερη από τις χειρουργικές μάσκες που δοκιμάστηκαν σε αυτήν τη μελέτη.Ομοίως, η «μπλε χειρουργική μάσκα» που δοκιμάστηκε από τους Joo et al.Αποδείξτε ότι το PFE (σωματίδια 300 nm) είναι μόνο 22%.[16] Shakya et al.ανέφερε ότι το PFE των χειρουργικών μασκών (χρησιμοποιώντας σωματίδια λάτεξ 0,1 μm) μειώθηκε περίπου κατά 60-80%.[19] Χρησιμοποιώντας μπάλες λατέξ ίδιου μεγέθους, η χειρουργική μάσκα των Lu et al. παρήγαγε ένα μέσο αποτέλεσμα PFE 80,2%.[20] Συγκριτικά, το PFE της μάσκας L2 μας είναι 94,2 ± 0,6%, και το PFE της μάσκας L3 είναι 94,9 ± 0,3%.Αν και αυτά τα PFE ξεπερνούν πολλά PFE στη βιβλιογραφία, πρέπει να σημειώσουμε ότι δεν υπάρχει σχεδόν κανένα επίπεδο πιστοποίησης που αναφέρθηκε στην προηγούμενη έρευνα και οι χειρουργικές μας μάσκες έχουν λάβει πιστοποίηση επιπέδου 2 και επιπέδου 3.
Με τον ίδιο τρόπο που αναλύθηκαν τα υποψήφια υλικά μάσκας στο Σχήμα 2, πραγματοποιήθηκαν τρεις δοκιμές στα άλλα έξι υλικά για να προσδιοριστεί η καταλληλότητά τους στη μάσκα και να καταδειχθεί η λειτουργία της συσκευής PFE.Το Σχήμα 3 απεικονίζει τις τιμές PFE όλων των ελεγμένων υλικών και τις συγκρίνει με τις τιμές PFE που λαμβάνονται αξιολογώντας πιστοποιημένα υλικά μάσκας L3 και N95.Από τα 11 υλικά μάσκες/υποψήφιες μάσκες που επιλέχθηκαν για αυτήν την εργασία, μπορεί να φανεί ξεκάθαρα ένα ευρύ φάσμα επιδόσεων PFE, που κυμαίνεται από ≈10% έως κοντά στο 100%, σε συμφωνία με άλλες μελέτες, [8, 9, 15] και περιγραφές του κλάδου Δεν υπάρχει σαφής σχέση μεταξύ PFE και PFE.Για παράδειγμα, υλικά με παρόμοια σύνθεση (δύο δείγματα βαμβακιού 100% και μουσελίνα βαμβακιού) εμφανίζουν πολύ διαφορετικές τιμές PFE (14%, 54% και 13%, αντίστοιχα).Ωστόσο, είναι σημαντικό η χαμηλή απόδοση (για παράδειγμα, 100% βαμβάκι Α, PFE ≈ 14%), η μεσαία απόδοση (για παράδειγμα, 70%/30% μείγμα βαμβακιού/πολυεστέρα, PFE ≈ 49%) και η υψηλή απόδοση (για παράδειγμα, πουλόβερ Ύφασμα, PFE ≈ 78%) Το ύφασμα μπορεί να αναγνωριστεί με σαφήνεια χρησιμοποιώντας τον εξοπλισμό PFE που περιγράφεται σε αυτήν την εργασία.Ιδιαίτερα τα υφάσματα για πουλόβερ και τα βαμβακερά υλικά κτυπήματος είχαν πολύ καλή απόδοση, με τα PFE να κυμαίνονται από 70% έως 80%.Τέτοια υλικά υψηλής απόδοσης μπορούν να αναγνωριστούν και να αναλυθούν με περισσότερες λεπτομέρειες για να κατανοηθούν τα χαρακτηριστικά που συμβάλλουν στην υψηλή τους απόδοση φιλτραρίσματος.Ωστόσο, θέλουμε να υπενθυμίσουμε ότι επειδή τα αποτελέσματα PFE υλικών με παρόμοιες περιγραφές βιομηχανίας (π.χ. βαμβακερά υλικά) είναι πολύ διαφορετικά, αυτά τα δεδομένα δεν υποδεικνύουν ποια υλικά είναι ευρέως χρήσιμα για υφασμάτινες μάσκες και δεν σκοπεύουμε να συμπεράνουμε τις ιδιότητες- κατηγορίες υλικών.Η σχέση απόδοσης.Παρέχουμε συγκεκριμένα παραδείγματα για να δείξουμε τη βαθμονόμηση, να δείξουμε ότι η μέτρηση καλύπτει ολόκληρο το εύρος της πιθανής απόδοσης φιλτραρίσματος και να δώσουμε το μέγεθος του σφάλματος μέτρησης.
Λάβαμε αυτά τα αποτελέσματα PFE για να αποδείξουμε ότι ο εξοπλισμός μας έχει ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων μέτρησης, χαμηλό σφάλμα και συγκρίνεται με δεδομένα που λαμβάνονται στη βιβλιογραφία.Για παράδειγμα, οι Zangmeister et al.Αναφέρονται τα αποτελέσματα PFE πολλών υφασμένων βαμβακερών υφασμάτων (π.χ. "Cotton 1-11") (89 έως 812 κλωστές ανά ίντσα).Σε 9 από τα 11 υλικά, η «ελάχιστη απόδοση φιλτραρίσματος» κυμαίνεται από 0% έως 25%.το PFE των άλλων δύο υλικών είναι περίπου 32%.[14] Ομοίως, οι Konda et al.Αναφέρονται τα δεδομένα PFE δύο βαμβακερών υφασμάτων (80 και 600 TPI, 153 και 152 gm-2).Το PFE κυμαίνεται από 7% έως 36% και 65% έως 85%, αντίστοιχα.Στη μελέτη των Drewnick et al., σε βαμβακερά υφάσματα μονής στρώσης (δηλαδή βαμβακερά, βαμβακερά πλεκτά, moleton, 139–265 TPI, 80–140 gm–2), το εύρος του υλικού PFE είναι περίπου 10% έως 30%.Στη μελέτη των Joo et al., το 100% βαμβακερό υλικό τους έχει PFE 8% (σωματίδια 300 nm).Bagheri et al.χρησιμοποιήθηκαν σωματίδια λατέξ πολυστυρενίου 0,3 έως 0,5 μm.Το PFE έξι βαμβακερών υλικών (120-200 TPI, 136-237 gm-2) μετρήθηκε, που κυμαίνεται από 0% έως 20%.[18] Επομένως, τα περισσότερα από αυτά τα υλικά συμφωνούν καλά με τα αποτελέσματα PFE των τριών βαμβακερών υφασμάτων μας (δηλ. Veratex Muslin CT, Fabric Store Cottons A και B) και η μέση απόδοση φιλτραρίσματος είναι 13%, 14% και αντίστοιχα.54%.Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι υπάρχουν μεγάλες διαφορές μεταξύ των υλικών βαμβακιού και ότι οι ιδιότητες του υλικού που οδηγούν σε υψηλό PFE (δηλαδή το βαμβάκι 600 TPI των Konda et al., το βαμβάκι μας Β) είναι ελάχιστα κατανοητές.
Όταν κάνουμε αυτές τις συγκρίσεις, παραδεχόμαστε ότι είναι δύσκολο να βρούμε υλικά που έχουν δοκιμαστεί στη βιβλιογραφία που να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά (π.χ. σύνθεση υλικού, ύφανση και πλέξιμο, TPI, βάρος, κ.λπ.) με τα υλικά που δοκιμάστηκαν σε αυτή τη μελέτη, και επομένως δεν μπορεί να συγκριθεί άμεσα.Επιπλέον, οι διαφορές στα όργανα που χρησιμοποιούν οι συγγραφείς και η έλλειψη τυποποίησης καθιστούν δύσκολη την πραγματοποίηση καλών συγκρίσεων.Ωστόσο, είναι σαφές ότι η σχέση απόδοσης/απόδοσης των συνηθισμένων υφασμάτων δεν είναι καλά κατανοητή.Τα υλικά θα δοκιμαστούν περαιτέρω με τυποποιημένο, ευέλικτο και αξιόπιστο εξοπλισμό (όπως ο εξοπλισμός που περιγράφεται σε αυτή την εργασία) για να προσδιοριστούν αυτές οι σχέσεις.
Αν και υπάρχει ένα συνολικό στατιστικό σφάλμα (0-5%) μεταξύ ενός μόνο αντιγράφου (0-4%) και των δειγμάτων που αναλύθηκαν εις τριπλούν, ο εξοπλισμός που προτείνεται σε αυτήν την εργασία αποδείχθηκε αποτελεσματικό εργαλείο για τη δοκιμή PFE διαφόρων υλικών.Συνήθη υφάσματα έως πιστοποιημένες ιατρικές μάσκες.Αξίζει να σημειωθεί ότι μεταξύ των 11 υλικών που δοκιμάστηκαν για το Σχήμα 3, το σφάλμα διάδοσης σprop υπερβαίνει την τυπική απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων PFE ενός μόνο δείγματος, δηλαδή το σsd των 9 στα 11 υλικά.Αυτές οι δύο εξαιρέσεις εμφανίζονται σε Πολύ υψηλή τιμή PFE (δηλαδή μάσκα L2 και L3).Αν και τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν από τους Rengasamy et al.Δείχνοντας ότι η διαφορά μεταξύ επαναλαμβανόμενων δειγμάτων είναι μικρή (δηλαδή, πέντε επαναλήψεις <0,29%), [25] μελέτησαν υλικά με υψηλές γνωστές ιδιότητες φιλτραρίσματος σχεδιασμένα ειδικά για την κατασκευή μάσκας: το ίδιο το υλικό μπορεί να είναι πιο ομοιόμορφο, και η δοκιμή είναι επίσης περιοχή του εύρους PFE μπορεί να είναι πιο συνεπής.Συνολικά, τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με τον εξοπλισμό μας είναι σύμφωνα με τα δεδομένα PFE και τα πρότυπα πιστοποίησης που έχουν ληφθεί από άλλους ερευνητές.
Αν και το PFE είναι ένας σημαντικός δείκτης για τη μέτρηση της απόδοσης μιας μάσκας, σε αυτό το σημείο πρέπει να υπενθυμίσουμε στους αναγνώστες ότι μια ολοκληρωμένη ανάλυση των μελλοντικών υλικών μάσκας πρέπει να λάβει υπόψη άλλους παράγοντες, δηλαδή τη διαπερατότητα υλικού (δηλαδή μέσω δοκιμής πτώσης πίεσης ή διαφορικής πίεσης ).Υπάρχουν κανονισμοί στα ASTM F2100 και F3502.Η αποδεκτή αναπνοή είναι απαραίτητη για την άνεση του χρήστη και την πρόληψη της διαρροής της άκρης της μάσκας κατά την αναπνοή.Δεδομένου ότι η διαπερατότητα του PFE και του αέρα πολλών κοινών υλικών είναι συνήθως αντιστρόφως ανάλογες, η μέτρηση της πτώσης πίεσης θα πρέπει να εκτελείται μαζί με τη μέτρηση PFE για να αξιολογηθεί πληρέστερα η απόδοση του υλικού της μάσκας.
Συνιστούμε οι οδηγίες για την κατασκευή εξοπλισμού PFE σύμφωνα με το ASTM F2299 να είναι απαραίτητες για τη συνεχή βελτίωση των προτύπων, τη δημιουργία ερευνητικών δεδομένων που μπορούν να συγκριθούν μεταξύ ερευνητικών εργαστηρίων και τη βελτίωση της διήθησης αεροζόλ.Βασιστείτε μόνο στο πρότυπο NIOSH (ή F3502), το οποίο καθορίζει μια μεμονωμένη συσκευή (TSI 8130A) και περιορίζει τους ερευνητές από την αγορά συσκευών με το κλειδί στο χέρι (για παράδειγμα, συστήματα TSI).Η εξάρτηση από τυποποιημένα συστήματα όπως το TSI 8130A είναι σημαντική για την τρέχουσα τυπική πιστοποίηση, αλλά περιορίζει την ανάπτυξη μασκών, αναπνευστήρων και άλλων τεχνολογιών φιλτραρίσματος αεροζόλ που αντιβαίνουν στην πρόοδο της έρευνας.Αξίζει να σημειωθεί ότι το πρότυπο NIOSH αναπτύχθηκε ως μέθοδος για τον έλεγχο των αναπνευστήρων κάτω από τις σκληρές συνθήκες που αναμένονται όταν χρειάζεται αυτός ο εξοπλισμός, αλλά αντίθετα, οι χειρουργικές μάσκες ελέγχονται με τις μεθόδους ASTM F2100/F2299.Το σχήμα και το στυλ των κοινοτικών μασκών μοιάζει περισσότερο με χειρουργικές μάσκες, πράγμα που δεν σημαίνει ότι έχουν εξαιρετική απόδοση φιλτραρίσματος όπως το N95.Εάν οι χειρουργικές μάσκες εξακολουθούν να αξιολογούνται σύμφωνα με το ASTM F2100/F2299, τα συνηθισμένα υφάσματα θα πρέπει να αναλύονται χρησιμοποιώντας μια μέθοδο πιο κοντά στο ASTM F2100/F2299.Επιπλέον, το ASTM F2299 επιτρέπει πρόσθετη ευελιξία σε διαφορετικές παραμέτρους (όπως ο ρυθμός ροής αέρα και η επιφανειακή ταχύτητα στις μελέτες απόδοσης φιλτραρίσματος), γεγονός που μπορεί να το καταστήσει ένα κατά προσέγγιση ανώτερο πρότυπο σε ένα ερευνητικό περιβάλλον.
Ώρα ανάρτησης: 30-8-2021