Centre of Excellence for Protective Equipment and Materials (CEPEM), 1280 Main St. W., Hamilton, ON, Kanada
Użyj poniższego linku, aby udostępnić pełną wersję tekstową tego artykułu znajomym i współpracownikom.Ucz się więcej.
Agencje zdrowia publicznego zalecają społecznościom stosowanie masek w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się chorób przenoszonych drogą powietrzną, takich jak COVID-19.Gdy maska działa jak wysokowydajny filtr, rozprzestrzenianie się wirusa zostanie ograniczone, dlatego ważne jest, aby ocenić skuteczność filtracji cząstek (PFE) maski.Jednak wysokie koszty i długie czasy realizacji związane z zakupem systemu PFE „pod klucz” lub wynajęciem akredytowanego laboratorium utrudniają badanie materiałów filtracyjnych.Istnieje wyraźna potrzeba stworzenia „dostosowanego” systemu testowego PFE;jednak różne standardy, które zalecają testowanie PFE masek (medycznych) (na przykład ASTM International, NIOSH) różnią się znacznie pod względem jasności ich protokołów i wytycznych.W tym miejscu opisano rozwój „wewnętrznego” systemu PFE i metody testowania masek w kontekście aktualnych standardów masek medycznych.Zgodnie z międzynarodowymi normami ASTM, system wykorzystuje lateksowe kulki (o nominalnej wielkości 0,1 µm) i wykorzystuje laserowy analizator cząstek do pomiaru stężenia cząstek przed i za materiałem maski.Wykonuj pomiary PFE na różnych popularnych tkaninach i maskach medycznych.Metoda opisana w tej pracy spełnia aktualne standardy testowania PFE, zapewniając jednocześnie elastyczność w dostosowywaniu się do zmieniających się potrzeb i warunków filtrowania.
Agencje zdrowia publicznego zalecają, aby ogólna populacja nosiła maski w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się COVID-19 i innych chorób przenoszonych przez kropelki i aerozole.[1] Wymóg noszenia masek skutecznie ogranicza transmisję, a [2] wskazuje, że nieprzetestowane maski społeczności zapewniają przydatne filtrowanie.W rzeczywistości badania modelowe wykazały, że zmniejszenie transmisji COVID-19 jest prawie proporcjonalne do połączonego produktu skuteczności maski i wskaźnika adopcji, a te i inne środki populacyjne mają efekt synergiczny w zmniejszaniu liczby hospitalizacji i zgonów.[3]
Liczba certyfikowanych masek medycznych i respiratorów wymaganych przez pracowników służby zdrowia i innych pracowników pierwszej linii dramatycznie wzrosła, stwarzając wyzwania dla istniejących łańcuchów produkcji i dostaw oraz zmuszając nowych producentów do szybkiego testowania i certyfikowania nowych materiałów.Organizacje takie jak ASTM International i National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) opracowały znormalizowane metody testowania masek medycznych;jednak szczegóły tych metod różnią się znacznie, a każda organizacja ustanowiła własne standardy wydajności.
Skuteczność filtracji cząstek stałych (PFE) jest najważniejszą cechą maski, ponieważ jest związana z jej zdolnością do filtrowania małych cząstek, takich jak aerozole.Maski medyczne muszą spełniać określone cele PFE[4-6], aby mogły być certyfikowane przez agencje regulacyjne, takie jak ASTM International lub NIOSH.Maski chirurgiczne są certyfikowane przez ASTM, a maski oddechowe N95 są certyfikowane przez NIOSH, ale obie maski muszą przejść określone wartości odcięcia PFE.Na przykład maski N95 muszą osiągnąć 95% filtrację dla aerozoli składających się z cząstek soli o średniej obliczeniowej średnicy 0,075 µm, podczas gdy maski chirurgiczne ASTM 2100 L3 muszą osiągnąć 98% filtracji dla aerozoli składających się z kulek lateksowych o średniej średnicy 0,1 µm Filtr .
Pierwsze dwie opcje są drogie (> 1000 USD za próbkę testową, szacowane na > 150 000 USD dla określonego sprzętu), a podczas pandemii COVID-19 występują opóźnienia z powodu długich terminów dostaw i problemów z dostawami.Wysoki koszt testów PFE i ograniczone prawa dostępu – w połączeniu z brakiem spójnych wytycznych dotyczących standaryzowanych ocen wydajności – skłoniły naukowców do korzystania z różnych niestandardowych systemów testowania, które często opierają się na jednej lub kilku normach dotyczących certyfikowanych masek medycznych.
Specjalny sprzęt do testowania materiałów maski, który można znaleźć w istniejącej literaturze, jest zwykle podobny do wyżej wymienionych norm NIOSH lub ASTM F2100/F2299.Badacze mają jednak możliwość wyboru lub zmiany konstrukcji lub parametrów pracy zgodnie ze swoimi preferencjami.Na przykład zastosowano zmiany prędkości powierzchniowej próbki, szybkości przepływu powietrza/aerozolu, wielkości próbki (powierzchni) i składu cząstek aerozolu.W wielu ostatnich badaniach do oceny materiałów masek stosowano dostosowany sprzęt.Urządzenia te wykorzystują aerozole chlorku sodu i są zbliżone do standardów NIOSH.Na przykład Rogak i in.(2020), Zangmeister i in.(2020), Drunic i in.(2020) oraz Joo i in.(2021) Wszystkie skonstruowane urządzenia będą wytwarzać aerozol chlorku sodu (różnych rozmiarów), który jest neutralizowany ładunkiem elektrycznym, rozcieńczany filtrowanym powietrzem i przesyłany do próbki materiału, gdzie optyczny miernik wielkości cząstek, skondensowane cząstki o różnych Połączony pomiar stężenia cząstek [9, 14-16] Konda i in.(2020) oraz Hao i in.(2020) Zbudowano podobne urządzenie, ale nie dołączono neutralizatora ładunku.[8, 17] W tych badaniach prędkość powietrza w próbce wahała się od 1 do 90 l min-1 (czasami w celu wykrycia efektów przepływu/prędkości);jednakże prędkość powierzchniowa mieściła się pomiędzy 5,3 a 25 cm·s-1.Wielkość próby wydaje się wahać od ≈3,4 do 59 cm2.
Wręcz przeciwnie, istnieje niewiele badań dotyczących oceny materiałów masek za pomocą sprzętu wykorzystującego aerozol lateksowy, który jest zbliżony do normy ASTM F2100/F2299.Na przykład Bagheri i in.(2021), Shakya i in.(2016) oraz Lu i in.(2020) Skonstruowali urządzenie do wytwarzania aerozolu z lateksu polistyrenowego, który był rozcieńczany i przesyłany do próbek materiałów, w których do pomiaru stężenia cząstek używano różnych analizatorów cząstek lub analizatorów wielkości cząstek podczas skanowania ruchliwości.[18-20] A Lu i in.Za generatorem aerozolu zastosowano neutralizator ładunku, czego nie zrobili autorzy dwóch pozostałych badań.Szybkość przepływu powietrza w próbce również nieznacznie się zmieniła – ale w granicach normy F2299 – z ~7,3 do 19 l min-1.Prędkość powierzchni powietrza badana przez Bagheri et al.wynosi odpowiednio 2 i 10 cm s–1 (w zakresie standardowym).Oraz Lu i in. oraz Shakya i in.[18-20] Ponadto autor i Shakya et al.przetestowane kulki lateksowe o różnych rozmiarach (tj. ogólnie od 20 nm do 2500 nm).A Lu i in.Przynajmniej w niektórych swoich testach używają określonego rozmiaru cząstek 100 nm (0,1 µm).
W tej pracy opisujemy wyzwania, przed którymi stoimy przy tworzeniu urządzenia PFE, które w jak największym stopniu odpowiada istniejącym standardom ASTM F2100/F2299.Wśród głównych popularnych standardów (tj. NIOSH i ASTM F2100/F2299), norma ASTM zapewnia większą elastyczność parametrów (takich jak natężenie przepływu powietrza) w celu badania wydajności filtrowania, która może wpływać na PFE w maskach niemedycznych.Jednak, jak wykazaliśmy, ta elastyczność zapewnia dodatkowy poziom złożoności w projektowaniu takiego sprzętu.
Chemikalia zostały zakupione w firmie Sigma-Aldrich i używane w takim stanie, w jakim są.Monomer styrenu (≥99%) oczyszcza się przez szklaną kolumnę zawierającą zmywacz inhibitora tlenku glinu, który jest przeznaczony do usuwania tert-butylokatecholu.Woda dejonizowana (≈0,037 µS cm–1) pochodzi z systemu oczyszczania wody Sartorius Arium.
100% bawełna o splocie płóciennym (Muslin CT) o nominalnej gramaturze 147 gm-2 pochodzi z Veratex Lining Ltd., QC, a mieszanka bambus/spandex pochodzi z D. Zinman Textiles, QC.Inne kandydackie materiały na maskę pochodzą od lokalnych sprzedawców tkanin (Fabricland).Materiały te obejmują dwie różne tkaniny 100% bawełniane (z różnymi nadrukami), jedną dzianinę bawełniano-spandeksową, dwie dzianiny bawełniano-poliestrowe (jedna „uniwersalna” i jedna „tkanina swetrowa”) oraz włókninę mieszaną bawełniano-polipropylenową bawełniany materiał mrugający.Tabela 1 przedstawia zestawienie znanych właściwości tkaniny.W celu porównania nowego sprzętu z lokalnych szpitali uzyskano certyfikowane maski medyczne, w tym certyfikowane maski medyczne ASTM 2100 Level 2 (L2) i Level 3 (L3; Halyard) oraz maski oddechowe N95 (3M).
Z każdego badanego materiału wycięto okrągłą próbkę o średnicy około 85 mm;nie dokonano dalszych modyfikacji materiału (np. pranie).Zacisnąć pętlę tkaniny w uchwycie próbki urządzenia PFE do testowania.Rzeczywista średnica próbki w kontakcie z przepływem powietrza wynosi 73 mm, a pozostałe materiały służą do szczelnego mocowania próbki.W przypadku zmontowanej maski strona stykająca się z twarzą znajduje się z dala od aerozolu dostarczonego materiału.
Synteza monodyspersyjnych anionowych kulek lateksowych polistyrenowych metodą polimeryzacji emulsyjnej.Zgodnie z procedurą opisaną w poprzednim badaniu reakcję prowadzono w trybie półokresowego głodu monomeru.[21, 22] Dodaj dejonizowaną wodę (160 mL) do 250 mL trójszyjnej kolby okrągłodennej i umieść ją w mieszającej łaźni olejowej.Kolbę następnie przepłukano azotem i do przedmuchanej, mieszanej kolby dodano monomer styrenu wolny od inhibitora (2,1 ml).Po 10 minutach w 70°C dodać laurylosiarczan sodu (0,235 g) rozpuszczony w dejonizowanej wodzie (8 ml).Po kolejnych 5 minutach dodano nadsiarczan potasu (0,5 g) rozpuszczony w wodzie dejonizowanej (2 ml).W ciągu następnych 5 godzin za pomocą pompy strzykawkowej powoli wstrzyknij do kolby dodatkowy styren bez inhibitora (20 ml) z szybkością 66 µl min-1.Po zakończeniu wlewu styrenu reakcja przebiegała przez kolejne 17 godzin.Następnie kolbę otwarto i ochłodzono, aby zakończyć polimeryzację.Zsyntetyzowaną emulsję lateksu polistyrenowego dializowano wobec wody dejonizowanej w probówce do dializy SnakeSkin (odcięcie masy cząsteczkowej 3500 Da) przez pięć dni, a wodę dejonizowaną wymieniano codziennie.Wyjąć emulsję z probówki dializacyjnej i przechowywać ją w lodówce w temperaturze 4°C do czasu użycia.
Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) przeprowadzono za pomocą analizatora Brookhaven 90Plus, długość fali lasera wynosiła 659 nm, a kąt detektora 90°.Użyj wbudowanego oprogramowania do rozwiązywania cząstek (v2.6; Brookhaven Instruments Corporation) do analizy danych.Zawiesinę lateksu rozcieńcza się wodą dejonizowaną, aż liczba cząstek wyniesie około 500 tysięcy zliczeń na sekundę (kcps).Wielkość cząstek określono na 125 ± 3 nm, a odnotowana polidyspersyjność wynosiła 0,289 ± 0,006.
Do uzyskania zmierzonej wartości potencjału zeta w trybie rozpraszania światła w analizie fazowej zastosowano analizator potencjału zeta ZetaPlus (Brookhaven Instruments Corp.).Próbkę przygotowano przez dodanie porcji lateksu do roztworu 5 × 10-3 m NaCl i ponowne rozcieńczenie zawiesiny lateksu do uzyskania liczby cząstek około 500 kcps.Wykonano pięć powtórzonych pomiarów (każdy składający się z 30 przebiegów), uzyskując wartość potencjału zeta wynoszącą -55,1 ± 2,8 mV, gdzie błąd reprezentuje odchylenie standardowe średniej wartości z pięciu powtórzeń.Pomiary te wskazują, że cząstki są naładowane ujemnie i tworzą stabilną zawiesinę.Dane dotyczące potencjału DLS i zeta można znaleźć w pomocniczych tabelach informacyjnych S2 i S3.
Urządzenie zbudowaliśmy zgodnie z normami ASTM International, jak opisano poniżej i pokazano na rysunku 1. Jednostrumieniowy moduł atomizacji Blaustein (BLAM; CHTech) służy do wytwarzania aerozoli zawierających kulki lateksowe.Przefiltrowany strumień powietrza (uzyskany przez szeregowe filtry GE Healthcare Whatman 0,3 µm HEPA-CAP i 0,2 µm POLYCAP TF) wchodzi do generatora aerozolu pod ciśnieniem 20 psi (6,9 kPa) i rozpyla porcję 5 mg L-1 zawiesina Ciecz jest wstrzykiwana do kulki lateksowej urządzenia za pomocą pompy strzykawkowej (KD Scientific Model 100).Rozpylone w aerozolu wilgotne cząstki są suszone przez przepuszczanie strumienia powietrza opuszczającego generator aerozolu przez rurowy wymiennik ciepła.Wymiennik ciepła składa się z rury ze stali nierdzewnej 5/8” owiniętej wężownicą grzewczą o długości 8 stóp.Moc wyjściowa to 216 W (BriskHeat).Zgodnie z nastawnym pokrętłem moc grzałki jest ustawiona na 40% maksymalnej wartości urządzenia (≈86 W);daje to średnią temperaturę ścianki zewnętrznej 112°C (odchylenie standardowe ≈1°C), którą określa się za pomocą pomiaru termopary do montażu powierzchniowego (Taylor USA).Rysunek S4 w informacjach pomocniczych podsumowuje wydajność nagrzewnicy.
Wysuszone, rozpylone cząstki miesza się następnie z większą objętością przefiltrowanego powietrza, aby osiągnąć całkowite natężenie przepływu powietrza 28,3 l min-1 (czyli 1 stopę sześcienną na minutę).Ta wartość została wybrana, ponieważ jest to dokładna prędkość przepływu próbkującego urządzenia laserowego analizatora cząstek za systemem.Strumień powietrza niosący cząsteczki lateksu jest przesyłany do jednej z dwóch identycznych komór pionowych (tj. rurki o gładkich ściankach ze stali nierdzewnej): komora „kontrolna” bez materiału maski lub komora „na próbkę” z okrągłym wycięciem – możliwość odłączenia Uchwyt próbki jest umieszczony na zewnątrz tkaniny.Wewnętrzna średnica obu komór wynosi 73 mm, co odpowiada wewnętrznej średnicy uchwytu próbki.Uchwyt próbki wykorzystuje rowkowane pierścienie i zagłębione śruby, aby szczelnie uszczelnić materiał maski, a następnie włożyć zdejmowany wspornik do szczeliny komory próbki i szczelnie zamknąć go w urządzeniu za pomocą gumowych uszczelek i zacisków (Rysunek S2, informacje pomocnicze).
Średnica próbki tkaniny w kontakcie z przepływem powietrza wynosi 73 mm (powierzchnia = 41,9 cm2);podczas badania jest szczelnie zamknięty w komorze próbki.Strumień powietrza opuszczający komorę „kontrolną” lub „próbkową” jest przekazywany do laserowego analizatora cząstek (system pomiaru cząstek LASAIR III 110) w celu pomiaru liczby i stężenia cząstek lateksu.Analizator cząstek określa dolną i górną granicę stężenia cząstek, odpowiednio 2 × 10-4 i ≈34 cząstek na stopę sześcienną (7 i ≈950000 cząstek na stopę sześcienną).W przypadku pomiaru stężenia cząstek lateksu, stężenie cząstek podaje się w „pudełku” z dolną i górną granicą 0,10–0,15 µm, co odpowiada przybliżonej wielkości cząstek lateksu singletowego w aerozolu.Można jednak zastosować inne rozmiary pojemników, a wiele pojemników można oceniać w tym samym czasie, przy maksymalnym rozmiarze cząstek wynoszącym 5 µm.
Wyposażenie obejmuje również inne wyposażenie, takie jak wyposażenie do płukania komory i analizatora cząstek czystym przefiltrowanym powietrzem, a także niezbędne zawory i instrumenty (rysunek 1).Kompletne schematy orurowania i oprzyrządowania pokazano na rysunku S1 i tabeli S1 informacji pomocniczych.
Podczas eksperymentu zawiesina lateksu była wstrzykiwana do generatora aerozolu z natężeniem przepływu ≈60 do 100 µl min-1 w celu utrzymania stabilnej wydajności cząstek, około 14-25 cząstek na centymetr sześcienny (400 000 na centymetr sześcienny) 700 000 cząstek).Stopy) w pojemniku o wielkości 0,10–0,15 µm.Ten zakres natężenia przepływu jest wymagany ze względu na obserwowane zmiany stężenia cząstek lateksu za generatorem aerozolu, które można przypisać zmianom ilości zawiesiny lateksu wychwytywanej przez pułapkę cieczy generatora aerozolu.
W celu zmierzenia PFE danej próbki tkaniny aerozol cząstek lateksu jest najpierw przenoszony przez sterownię, a następnie kierowany do analizatora cząstek.Stale mierz stężenie trzech szybko następujących po sobie cząsteczek, z których każda trwa jedną minutę.Analizator cząstek podaje średnie w czasie stężenie cząstek podczas analizy, czyli średnie stężenie cząstek w ciągu jednej minuty (28,3 l) próbki.Po wykonaniu tych podstawowych pomiarów w celu ustalenia stabilnej liczby cząstek i szybkości przepływu gazu, aerozol przenosi się do komory próbki.Gdy system osiągnie równowagę (zwykle 60-90 sekund), kolejne trzy kolejne jednominutowe pomiary są wykonywane w krótkich odstępach czasu.Te pomiary próbek reprezentują stężenie cząstek przechodzących przez próbkę tkaniny.Następnie, rozdzielając strumień aerozolu z powrotem do sterowni, wykonano kolejne trzy pomiary stężenia cząstek ze sterowni w celu sprawdzenia, czy stężenie cząstek w górę strumienia nie zmieniło się znacząco podczas całego procesu oceny próbki.Ponieważ konstrukcja obu komór jest taka sama — z wyjątkiem tego, że komora próbki może pomieścić uchwyt próbki — warunki przepływu w komorze można uznać za takie same, więc stężenie cząstek w gazie opuszczającym komorę kontrolną i komorę próbki można porównać.
Aby utrzymać żywotność analizatora cząstek i usunąć cząstki aerozolu z systemu między każdym testem, należy używać strumienia powietrza z filtrem HEPA do czyszczenia analizatora cząstek po każdym pomiarze i czyszczenia komory próbki przed wymianą próbek.Proszę odnieść się do rysunku S1 w informacjach pomocniczych, aby zapoznać się ze schematem ideowym systemu przepłukiwania powietrza na urządzeniu PFE.
To obliczenie reprezentuje pojedynczy „powtórzony” pomiar PFE dla pojedynczej próbki materiału i jest równoważne obliczeniom PFE w ASTM F2299 (równanie (2)).
Materiały opisane w § 2.1 zostały poddane próbie z aerozolami lateksowymi przy użyciu sprzętu PFE opisanego w § 2.3 w celu określenia ich przydatności jako materiałów na maskę.Rysunek 2 przedstawia odczyty uzyskane z analizatora stężenia cząstek, a wartości PFE tkanin swetrowych i materiałów mrugnięcia są mierzone w tym samym czasie.Wykonano trzy analizy próbek dla łącznie dwóch materiałów i sześciu powtórzeń.Oczywiście pierwsze czytanie z zestawu trzech odczytów (zacienione jaśniejszym kolorem) zwykle różni się od pozostałych dwóch odczytów.Na przykład, pierwszy odczyt różni się od średniej dwóch pozostałych odczytów w 12-15 trójkach na Rysunku 2 o ponad 5%.Ta obserwacja jest związana z bilansem powietrza zawierającego aerozol przepływającego przez analizator cząstek.Jak omówiono w Materiałach i metodach, odczyty równowagi (druga i trzecia kontrola oraz odczyty próbki) zostały wykorzystane do obliczenia PFE odpowiednio w odcieniach ciemnoniebieskim i czerwonym na Ryc. 2.Ogólnie rzecz biorąc, średnia wartość PFE z trzech powtórzeń wynosi 78% ± 2% dla tkaniny swetrowej i 74% ± 2% dla materiału bawełnianego.
Aby przetestować wydajność systemu, oceniono również maski medyczne z certyfikatem ASTM 2100 (L2, L3) i maski oddechowe NIOSH (N95).Norma ASTM F2100 określa skuteczność filtracji cząstek submikronowych cząstek 0,1 µm masek poziomu 2 i poziomu 3 na odpowiednio ≥ 95% i ≥ 98%.[5] Podobnie, maski oddechowe N95 z certyfikatem NIOSH muszą wykazywać skuteczność filtracji ≥95% dla rozpylonych nanocząstek NaCl o średniej średnicy 0,075 µm.[24] Rengasamy i in.Według doniesień podobne maski N95 wykazują wartość PFE 99,84%–99,98%, [25] Zangmeister i in.Według doniesień ich N95 zapewnia minimalną skuteczność filtracji większą niż 99,9% [14], podczas gdy Joo et al.Według doniesień maski 3M N95 wytwarzały 99% PFE (cząstki 300 nm), [16] oraz Hao i in.Podany N95 PFE (cząstki 300 nm) wynosi 94,4%.[17] Dla dwóch masek N95 zakwestionowanych przez Shakya et al.z kulkami lateksowymi 0,1 µm, PFE spadł w przybliżeniu między 80% a 100%.[19] Gdy Lu i in.Używając kulek lateksowych o tym samym rozmiarze do oceny masek N95, średni PFE wynosi 93,8%.[20] Wyniki uzyskane przy użyciu aparatury opisanej w tej pracy wskazują, że PFE maski N95 wynosi 99,2 ± 0,1%, co jest zgodne z większością wcześniejszych badań.
W kilku badaniach przetestowano również maski chirurgiczne.Maski chirurgiczne Hao et al.wykazały PFE (cząsteczki 300 nm) na poziomie 73,4% [17], podczas gdy trzy maski chirurgiczne testowane przez Drewnicka i in.Produkowany PFE waha się od około 60% do prawie 100%.[15] (Ta ostatnia maska może być modelem certyfikowanym.) Jednak Zangmeister et al.Według doniesień minimalna skuteczność filtracji dwóch badanych masek chirurgicznych jest tylko nieznacznie wyższa niż 30% [14], znacznie niższa niż masek chirurgicznych testowanych w tym badaniu.Podobnie „niebieska maska chirurgiczna” testowana przez Joo i in.Udowodnij, że PFE (cząstki 300 nm) to tylko 22%.[16] Shakya i in.poinformował, że PFE masek chirurgicznych (z użyciem cząstek lateksu 0,1 µm) zmniejszyło się w przybliżeniu o 60-80%.[19] Używając kulek lateksowych tego samego rozmiaru, maska chirurgiczna Lu i wsp. dała średni wynik PFE na poziomie 80,2%.[20] Dla porównania PFE naszej maski L2 wynosi 94,2 ± 0,6%, a PFE maski L3 94,9 ± 0,3%.Chociaż te PFE przewyższają wiele PFE w literaturze, musimy zauważyć, że w poprzednich badaniach nie wspomniano prawie żadnego poziomu certyfikacji, a nasze maski chirurgiczne uzyskały certyfikat poziomu 2 i 3.
W ten sam sposób, w jaki przeanalizowano materiały będące kandydatami na maskę na Rysunku 2, przeprowadzono trzy testy na pozostałych sześciu materiałach, aby określić ich przydatność w masce i zademonstrować działanie urządzenia PFE.Rysunek 3 przedstawia wartości PFE wszystkich testowanych materiałów i porównuje je z wartościami PFE uzyskanymi poprzez ocenę certyfikowanych materiałów maski L3 i N95.Spośród 11 masek/masek kandydujących wybranych do tej pracy można wyraźnie zaobserwować szeroki zakres wydajności PFE, od ~10% do blisko 100%, zgodnie z innymi badaniami [8, 9, 15] i deskryptorami branżowymi Nie ma wyraźnego związku między PFE a PFE.Na przykład materiały o podobnym składzie (dwie próbki 100% bawełny i muślin bawełniany) wykazują bardzo różne wartości PFE (odpowiednio 14%, 54% i 13%).Ważne jest jednak, aby niska wydajność (na przykład 100% bawełna A; PFE ≈ 14%), średnia wydajność (na przykład mieszanka 70%/30% bawełna/poliester; PFE ≈ 49%) i wysoka wydajność (na przykład sweter Tkanina; PFE ≈ 78%) Tkaninę można jednoznacznie zidentyfikować za pomocą opisanego w tej pracy sprzętu PFE.Szczególnie dobrze sprawdziły się tkaniny swetrowe i bawełniane materiały, z PFE od 70% do 80%.Takie wysokowydajne materiały można identyfikować i analizować bardziej szczegółowo, aby zrozumieć właściwości, które przyczyniają się do ich wysokiej wydajności filtracji.Przypominamy jednak, że ponieważ wyniki PFE materiałów o podobnych opisach branżowych (tj. materiałów bawełnianych) są bardzo różne, dane te nie wskazują, które materiały są szeroko przydatne do masek tkaninowych i nie zamierzamy wnioskować o ich właściwościach. kategorie materiałów.Relacja wydajności.Podajemy konkretne przykłady demonstrujące kalibrację, pokazujemy, że pomiar obejmuje cały zakres możliwej skuteczności filtracji oraz podajemy wielkość błędu pomiaru.
Otrzymaliśmy te wyniki PFE, aby udowodnić, że nasz sprzęt ma szeroki zakres możliwości pomiarowych, niski błąd i jest porównywany z danymi uzyskanymi w literaturze.Na przykład Zangmeister i in.Przedstawiono wyniki PFE dla kilku tkanin bawełnianych (np. „Bawełna 1-11”) (89 do 812 nici na cal).W 9 z 11 materiałów „minimalna skuteczność filtracji” waha się od 0% do 25%;PFE pozostałych dwóch materiałów wynosi około 32%.[14] Podobnie Konda i in.Przedstawiono dane PFE dwóch tkanin bawełnianych (80 i 600 TPI; 153 i 152 gm-2).PFE waha się odpowiednio od 7% do 36% i od 65% do 85%.W badaniach Drewnicka i wsp. w jednowarstwowych tkaninach bawełnianych (tj. bawełna, dzianina bawełniana, moleton; 139–265 TPI; 80–140 gm–2) zakres materiału PFE wynosi około 10% do 30%.W badaniu Joo et al. ich 100% bawełna ma 8% PFE (cząsteczki 300 nm).Bagheri i in.użyto cząstek lateksu polistyrenowego od 0,3 do 0,5 µm.Zmierzono PFE sześciu materiałów bawełnianych (120-200 TPI; 136-237 gm-2) w zakresie od 0% do 20%.[18] Dlatego też większość tych materiałów jest zgodna z wynikami PFE naszych trzech tkanin bawełnianych (tj. Veratex Muslin CT, Fabric Store Cottons A i B), a ich średnia skuteczność filtracji wynosi odpowiednio 13%, 14%.54%.Wyniki te wskazują, że istnieją duże różnice między materiałami bawełnianymi i że właściwości materiału, które prowadzą do wysokiego PFE (tj. bawełna 600 TPI firmy Konda i in.; nasza bawełna B) są słabo poznane.
Dokonując tych porównań, przyznajemy, że trudno jest znaleźć materiały testowane w literaturze, które mają te same cechy (tj. skład materiałowy, tkanie i dzianie, TPI, gramaturę itp.) z materiałami testowanymi w tym badaniu, oraz dlatego nie mogą być bezpośrednio porównywane.Dodatkowo różnice w instrumentarium stosowanym przez autorów oraz brak standaryzacji utrudniają dokonywanie dobrych porównań.Niemniej jednak jasne jest, że stosunek wydajności do wydajności zwykłych tkanin nie jest dobrze poznany.Materiały będą dalej testowane za pomocą znormalizowanego, elastycznego i niezawodnego sprzętu (takiego jak sprzęt opisany w tej pracy) w celu określenia tych zależności.
Chociaż istnieje całkowity błąd statystyczny (0-5%) między pojedynczym powtórzeniem (0-4%) a próbkami analizowanymi w trzech powtórzeniach, sprzęt zaproponowany w tej pracy okazał się skutecznym narzędziem do testowania PFE różnych materiałów.Zwykłe tkaniny do atestowanych masek medycznych.Warto zauważyć, że spośród 11 badanych materiałów na rysunku 3 błąd propagacji σprop przekracza odchylenie standardowe między pomiarami PFE pojedynczej próbki, czyli σsd 9 z 11 materiałów;te dwa wyjątki występują w przypadku bardzo wysokiej wartości PFE (tj. maski L2 i L3).Chociaż wyniki przedstawione przez Rengasamy et al.Wykazując, że różnica między powtarzanymi próbkami jest niewielka (tj. pięć powtórzeń <0,29%), [25] zbadali materiały o wysokich znanych właściwościach filtrujących, zaprojektowane specjalnie do produkcji masek: sam materiał może być bardziej jednorodny, a test również obszar zakresu PFE może być bardziej spójny.Ogólnie wyniki uzyskane przy użyciu naszego sprzętu są zgodne z danymi PFE i standardami certyfikacji uzyskanymi przez innych badaczy.
Chociaż PFE jest ważnym wskaźnikiem do pomiaru wydajności maski, w tym miejscu musimy przypomnieć czytelnikom, że kompleksowa analiza przyszłych materiałów masek musi uwzględniać inne czynniki, tj. przepuszczalność materiału (tj. poprzez spadek ciśnienia lub test różnicy ciśnień ).Istnieją przepisy w ASTM F2100 i F3502.Akceptowalna oddychalność ma zasadnicze znaczenie dla komfortu użytkownika i zapobiegania przeciekaniu krawędzi maski podczas oddychania.Ponieważ PFE i przepuszczalność powietrza wielu popularnych materiałów są zwykle odwrotnie proporcjonalne, pomiar spadku ciśnienia powinien być wykonywany razem z pomiarem PFE, aby pełniej ocenić działanie materiału maski.
Rekomendujemy, aby wytyczne dotyczące konstruowania sprzętu PFE zgodnie z ASTM F2299 były niezbędne do ciągłego doskonalenia standardów, generowania danych badawczych, które można porównywać między laboratoriami badawczymi oraz poprawy filtracji aerozoli.Polegaj tylko na standardzie NIOSH (lub F3502), który określa pojedyncze urządzenie (TSI 8130A) i ogranicza badaczom możliwość zakupu urządzeń „pod klucz” (na przykład systemów TSI).Poleganie na znormalizowanych systemach, takich jak TSI 8130A, jest ważne dla bieżącej certyfikacji standardowej, ale ogranicza rozwój masek, respiratorów i innych technologii filtrowania aerozoli, które są sprzeczne z postępem badań.Warto zauważyć, że standard NIOSH został opracowany jako metoda testowania masek oddechowych w trudnych warunkach oczekiwanych, gdy ten sprzęt jest potrzebny, ale maski chirurgiczne są testowane metodami ASTM F2100/F2299.Kształt i styl masek społecznościowych przypominają bardziej maski chirurgiczne, co nie oznacza, że mają doskonałą wydajność filtracji, jak N95.Jeśli maski chirurgiczne są nadal oceniane zgodnie z ASTM F2100/F2299, zwykłe tkaniny powinny być analizowane metodą bliższą ASTM F2100/F2299.Ponadto ASTM F2299 pozwala na dodatkową elastyczność w zakresie różnych parametrów (takich jak natężenie przepływu powietrza i prędkość powierzchniowa w badaniach skuteczności filtracji), co może stanowić w przybliżeniu najwyższy standard w środowisku badawczym.
Czas publikacji: 30 sierpnia-2021