Kompetenzzentrum für Schutzausrüstung und -materialien (CEPEM), 1280 Main St. W., Hamilton, ON, Kanada
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Gesundheitsbehörden empfehlen den Gemeinden, Masken zu verwenden, um die Ausbreitung von durch die Luft übertragenen Krankheiten wie COVID-19 zu verringern.Wenn die Maske als hocheffizienter Filter fungiert, wird die Ausbreitung des Virus verringert, daher ist es wichtig, die Partikelfiltrationseffizienz (PFE) der Maske zu bewerten.Die hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten, die mit dem Kauf eines schlüsselfertigen PFE-Systems oder der Beauftragung eines akkreditierten Labors verbunden sind, behindern jedoch die Prüfung von Filtermaterialien.Es besteht eindeutig Bedarf an einem „kundenspezifischen“ PFE-Testsystem;Die verschiedenen Standards, die PFE-Tests von (medizinischen) Masken vorschreiben (z. B. ASTM International, NIOSH), unterscheiden sich jedoch stark in der Klarheit ihrer Protokolle und Richtlinien.Hier wird die Entwicklung eines „internen“ PFE-Systems und -Verfahrens zum Testen von Masken im Kontext aktueller medizinischer Maskenstandards beschrieben.Gemäß den internationalen ASTM-Standards verwendet das System Aerosole aus Latexkugeln (0,1 µm Nenngröße) und verwendet einen Laser-Partikelanalysator, um die Partikelkonzentration stromaufwärts und stromabwärts des Maskenmaterials zu messen.Führen Sie PFE-Messungen an verschiedenen gängigen Stoffen und medizinischen Masken durch.Die in dieser Arbeit beschriebene Methode erfüllt die aktuellen Standards der PFE-Prüfung und bietet gleichzeitig Flexibilität zur Anpassung an sich ändernde Anforderungen und Filterbedingungen.
Die Gesundheitsbehörden empfehlen der allgemeinen Bevölkerung, Masken zu tragen, um die Ausbreitung von COVID-19 und anderen durch Tröpfchen und Aerosole übertragenen Krankheiten zu begrenzen.[1] Die Anforderung, Masken zu tragen, reduziert die Übertragung wirksam, und [2] weist darauf hin, dass nicht getestete Community-Masken eine nützliche Filterung bieten.Tatsächlich haben Modellstudien gezeigt, dass die Reduzierung der COVID-19-Übertragung fast proportional zum kombinierten Produkt aus Maskenwirksamkeit und Akzeptanzrate ist, und diese und andere bevölkerungsbezogene Maßnahmen haben einen synergistischen Effekt bei der Reduzierung von Krankenhauseinweisungen und Todesfällen.[3]
Die Anzahl zertifizierter medizinischer Masken und Atemschutzgeräte, die vom Gesundheitswesen und anderen Mitarbeitern an vorderster Front benötigt werden, hat dramatisch zugenommen, was die bestehenden Fertigungs- und Lieferketten vor Herausforderungen stellt und neue Hersteller dazu veranlasst, neue Materialien schnell zu testen und zu zertifizieren.Organisationen wie ASTM International und das National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) haben standardisierte Methoden zum Testen medizinischer Masken entwickelt;Die Details dieser Methoden sind jedoch sehr unterschiedlich, und jede Organisation hat ihre eigenen Leistungsstandards festgelegt.
Die Partikelfiltrationseffizienz (PFE) ist die wichtigste Eigenschaft einer Maske, da sie mit ihrer Fähigkeit zusammenhängt, kleine Partikel wie Aerosole zu filtern.Medizinische Masken müssen bestimmte PFE-Ziele[4-6] erfüllen, um von Aufsichtsbehörden wie ASTM International oder NIOSH zertifiziert zu werden.Chirurgische Masken sind von ASTM zertifiziert und N95-Atemschutzmasken sind von NIOSH zertifiziert, aber beide Masken müssen bestimmte PFE-Grenzwerte erfüllen.Zum Beispiel müssen N95-Masken eine 95-prozentige Filtration für Aerosole erreichen, die aus Salzpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,075 µm bestehen, während ASTM 2100 L3-Operationsmasken eine 98-prozentige Filtration für Aerosole erreichen müssen, die aus Latexkugeln mit einem durchschnittlichen Filterdurchmesser von 0,1 µm bestehen .
Die ersten beiden Optionen sind teuer (> 1.000 USD pro Testmuster, geschätzt auf > 150.000 USD für bestimmte Geräte), und während der COVID-19-Pandemie kommt es aufgrund langer Lieferzeiten und Versorgungsprobleme zu Verzögerungen.Die hohen Kosten für PFE-Tests und eingeschränkte Zugriffsrechte – kombiniert mit einem Mangel an kohärenten Leitlinien für standardisierte Leistungsbewertungen – haben Forscher dazu veranlasst, eine Vielzahl von kundenspezifischen Testsystemen zu verwenden, die häufig auf einem oder mehreren Standards für zertifizierte medizinische Masken basieren.
Die in der vorhandenen Literatur zu findende spezielle Ausrüstung zum Testen des Maskenmaterials ähnelt normalerweise den oben erwähnten NIOSH- oder ASTM F2100/F2299-Standards.Forscher haben jedoch die Möglichkeit, das Design oder die Betriebsparameter nach ihren Vorlieben zu wählen oder zu ändern.Beispielsweise wurden Änderungen der Oberflächengeschwindigkeit der Probe, der Luft-/Aerosolströmungsrate, der Probengröße (Fläche) und der Zusammensetzung der Aerosolpartikel verwendet.In vielen neueren Studien wurden kundenspezifische Geräte zur Bewertung von Maskenmaterialien verwendet.Diese Geräte verwenden Natriumchlorid-Aerosole und entsprechen den NIOSH-Standards.Rogak et al.(2020), Zangmeister et al.(2020), Drunic et al.(2020) und Jooet al.(2021) Alle konstruierten Geräte werden Natriumchlorid-Aerosol (verschiedene Größen) produzieren, das durch elektrische Ladung neutralisiert, mit gefilterter Luft verdünnt und zur Materialprobe geleitet wird, wo optische Partikelgrößenbestimmung, kondensierte Partikel verschiedener kombinierter Partikelkonzentrationsmessung [9, 14-16] Konda et al.(2020) und Hao et al.(2020) Ein ähnliches Gerät wurde gebaut, aber der Ladungsneutralisator war nicht enthalten.[8, 17] In diesen Studien variierte die Luftgeschwindigkeit in der Probe zwischen 1 und 90 L min-1 (manchmal um Strömungs-/Geschwindigkeitseffekte zu erkennen);die Oberflächengeschwindigkeit lag jedoch zwischen 5,3 und 25 cm s-1.Die Probengröße scheint zwischen ≈3,4 und 59 cm2 zu variieren.
Im Gegenteil, es gibt nur wenige Studien zur Bewertung von Maskenmaterialien durch Geräte mit Latex-Aerosol, die dem ASTM F2100/F2299-Standard nahe kommen.Bagheri et al.(2021), Shakyaet al.(2016) und Lu et al.(2020) Konstruierte ein Gerät zur Herstellung von Polystyrol-Latex-Aerosol, das verdünnt und an Materialproben gesendet wurde, wo verschiedene Partikelanalysatoren oder Scanning Mobility Partikelgrößenanalysatoren zur Messung der Partikelkonzentration verwendet wurden.[18-20] Und Lu et al.Ein Ladungsneutralisator wurde stromabwärts ihres Aerosolgenerators verwendet, die Autoren der anderen beiden Studien taten dies nicht.Die Luftdurchflussrate in der Probe änderte sich ebenfalls leicht – aber innerhalb der Grenzen des F2299-Standards – von ≈7,3 auf 19 L min-1.Die von Bagheri et al.beträgt 2 bzw. 10 cm s–1 (im Normbereich).Und Lu et al. und Shakya et al.[18-20] Darüber hinaus haben der Autor und Shakya et al.getestete Latexkugeln verschiedener Größen (dh insgesamt 20 nm bis 2500 nm).Und Lu et al.Zumindest in einigen ihrer Tests verwenden sie die angegebene Partikelgröße von 100 nm (0,1 µm).
In dieser Arbeit beschreiben wir die Herausforderungen, denen wir bei der Entwicklung eines PFE-Geräts gegenüberstehen, das den bestehenden ASTM F2100/F2299-Standards so weit wie möglich entspricht.Unter den wichtigsten populären Standards (z. B. NIOSH und ASTM F2100/F2299) bietet der ASTM-Standard eine größere Flexibilität bei Parametern (z. B. Luftdurchflussrate), um die Filterleistung zu untersuchen, die PFE in nichtmedizinischen Masken beeinträchtigen kann.Wie wir jedoch gezeigt haben, sorgt diese Flexibilität für ein zusätzliches Maß an Komplexität beim Entwerfen solcher Geräte.
Die Chemikalien wurden von Sigma-Aldrich bezogen und unverändert verwendet.Styrol-Monomer (≥99 %) wird durch eine Glassäule gereinigt, die einen Aluminiumoxid-Inhibitor-Entferner enthält, der zur Entfernung von tert-Butylcatechol ausgelegt ist.Deionisiertes Wasser (≈0,037 µS cm–1) stammt aus der Wasseraufbereitungsanlage Sartorius Arium.
100 % Baumwolle in Leinwandbindung (Muslin CT) mit einem Nenngewicht von 147 g/m² stammt von Veratex Lining Ltd., QC, und die Bambus/Spandex-Mischung stammt von D. Zinman Textiles, QC.Andere Kandidatenmaterialien für Masken stammen von lokalen Stoffhändlern (Fabricland).Zu diesen Materialien gehören zwei verschiedene gewebte Stoffe aus 100 % Baumwolle (mit unterschiedlichen Aufdrucken), ein gestrickter Stoff aus Baumwolle/Spandex, zwei gestrickte Stoffe aus Baumwolle/Polyester (ein „Universal“- und ein „Pullover-Stoff“) und ein nicht gewebtes Baumwoll/Polypropylen-Mischgewebe Baumwollwattematerial.Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung bekannter Gewebeeigenschaften.Um die neue Ausrüstung zu bewerten, wurden zertifizierte medizinische Masken von örtlichen Krankenhäusern bezogen, darunter nach ASTM 2100 Level 2 (L2) und Level 3 (L3; Halyard) zertifizierte medizinische Masken und N95-Atemschutzgeräte (3M).
Aus jedem zu testenden Material wurde eine kreisförmige Probe mit einem Durchmesser von etwa 85 mm geschnitten;es wurden keine weiteren Materialveränderungen (z. B. Waschen) vorgenommen.Klemmen Sie die Gewebeschlaufe zum Testen in den Probenhalter des PFE-Geräts.Der tatsächliche Durchmesser der Probe in Kontakt mit dem Luftstrom beträgt 73 mm, und die restlichen Materialien werden verwendet, um die Probe fest zu fixieren.Bei der zusammengebauten Maske ist die Seite, die das Gesicht berührt, vom Aerosol des gelieferten Materials abgewandt.
Synthese monodisperser anionischer Polystyrollatexkugeln durch Emulsionspolymerisation.Gemäß dem in der vorherigen Studie beschriebenen Verfahren wurde die Reaktion in einem halbkontinuierlichen Modus des Monomermangels durchgeführt.[21, 22] Man gebe entionisiertes Wasser (160 ml) in einen 250-ml-Dreihalsrundkolben und stelle ihn in ein Rührölbad.Der Kolben wurde dann mit Stickstoff gespült und inhibitorfreies Styrolmonomer (2,1 ml) wurde zu dem gespülten, gerührten Kolben gegeben.Nach 10 Minuten bei 70 °C Natriumlaurylsulfat (0,235 g), gelöst in entionisiertem Wasser (8 ml), zugeben.Nach weiteren 5 Minuten wurde Kaliumpersulfat (0,5 g), gelöst in entionisiertem Wasser (2 ml), zugegeben.Verwenden Sie in den nächsten 5 Stunden eine Spritzenpumpe, um zusätzliches hemmstofffreies Styrol (20 ml) mit einer Geschwindigkeit von 66 l min-1 langsam in den Kolben zu injizieren.Nachdem die Styrolinfusion beendet war, lief die Reaktion weitere 17 Stunden ab.Dann wurde der Kolben geöffnet und abgekühlt, um die Polymerisation zu beenden.Die synthetisierte Polystyrol-Latex-Emulsion wurde gegen entionisiertes Wasser in einem SnakeSkin-Dialyseschlauch (3500 Da Molekulargewichtsgrenze) fünf Tage lang dialysiert, und das entionisierte Wasser wurde jeden Tag ersetzt.Entfernen Sie die Emulsion aus dem Dialyseschlauch und lagern Sie sie bis zur Verwendung im Kühlschrank bei 4 °C.
Dynamische Lichtstreuung (DLS) wurde mit einem Brookhaven 90Plus-Analysator durchgeführt, die Laserwellenlänge betrug 659 nm und der Detektorwinkel betrug 90°.Verwenden Sie die integrierte Partikellösungssoftware (v2.6; Brookhaven Instruments Corporation), um die Daten zu analysieren.Die Latexsuspension wird mit entionisiertem Wasser verdünnt, bis die Teilchenzahl ungefähr 500.000 Zählungen pro Sekunde (kcps) beträgt.Die Teilchengröße wurde mit 125 ± 3 nm bestimmt, und die angegebene Polydispersität war 0,289 ± 0,006.
Ein ZetaPlus-Zetapotentialanalysator (Brookhaven Instruments Corp.) wurde verwendet, um den gemessenen Wert des Zetapotentials im Phasenanalyse-Lichtstreuungsmodus zu erhalten.Die Probe wurde hergestellt, indem ein Aliquot Latex zu einer 5 × 10 –3 m NaCl-Lösung gegeben und die Latexsuspension erneut verdünnt wurde, um eine Teilchenzahl von etwa 500 kcps zu erreichen.Es wurden fünf wiederholte Messungen (jeweils bestehend aus 30 Läufen) durchgeführt, was zu einem Zetapotentialwert von –55,1 ± 2,8 mV führte, wobei der Fehler die Standardabweichung des Mittelwerts der fünf Wiederholungen darstellt.Diese Messungen zeigen, dass die Partikel negativ geladen sind und eine stabile Suspension bilden.DLS- und Zeta-Potential-Daten sind in den unterstützenden Informationstabellen S2 und S3 zu finden.
Wir haben die Ausrüstung in Übereinstimmung mit den internationalen ASTM-Standards gebaut, wie unten beschrieben und in Abbildung 1 gezeigt. Der Aerosolgenerator des Einstrahl-Blaustein-Zerstäubungsmoduls (BLAM; CHTech) wird verwendet, um Aerosole zu erzeugen, die Latexkugeln enthalten.Der gefilterte Luftstrom (erhalten durch die GE Healthcare Whatman 0,3 µm HEPA-CAP und 0,2 µm POLYCAP TF Filter in Reihe) tritt mit einem Druck von 20 psi (6,9 kPa) in den Aerosolgenerator ein und zerstäubt einen Teil der 5 mg L-1 Suspension Die Flüssigkeit wird durch eine Spritzenpumpe (KD Scientific Modell 100) in die Latexkugel der Ausrüstung injiziert.Die aerosolisierten nassen Partikel werden getrocknet, indem der den Aerosolgenerator verlassende Luftstrom durch einen Röhrenwärmetauscher geleitet wird.Der Wärmetauscher besteht aus einem 5/8-Zoll-Edelstahlrohr, das mit einer 8 Fuß langen Heizschlange umwickelt ist.Die Leistung beträgt 216 W (BriskHeat).Die Heizleistung wird entsprechend dem Einstellrad auf 40 % des Maximalwertes des Gerätes (≈86 W) eingestellt;daraus ergibt sich eine durchschnittliche Außenwandtemperatur von 112 °C (Standardabweichung ≈1 °C), die durch eine Aufputz-Thermoelement-Messung (Taylor USA) ermittelt wird.Abbildung S4 in den Hintergrundinformationen fasst die Heizungsleistung zusammen.
Die getrockneten zerstäubten Partikel werden dann mit einem größeren Volumen gefilterter Luft gemischt, um eine Gesamtluftströmungsrate von 28,3 L min-1 (d. h. 1 Kubikfuß pro Minute) zu erreichen.Dieser Wert wurde gewählt, da es sich um die genaue Durchflussrate der dem System nachgeschalteten Probenahme durch das Laser-Partikelanalysegerät handelt.Der die Latexpartikel tragende Luftstrom wird in eine von zwei identischen vertikalen Kammern (dh glattwandige Edelstahlrohre) geleitet: eine „Kontroll“-Kammer ohne Maskenmaterial oder eine kreisförmig geschnittene „Proben“-Kammer – verwenden Sie einen abnehmbaren Probenhalter wird außerhalb des Gewebes eingefügt.Der Innendurchmesser der beiden Kammern beträgt 73 mm, was dem Innendurchmesser des Probenhalters entspricht.Der Probenhalter verwendet genutete Ringe und eingelassene Schrauben, um das Maskenmaterial fest abzudichten, und fügt dann die abnehmbare Halterung in den Spalt der Probenkammer ein und versiegelt sie fest im Gerät mit Gummidichtungen und Klemmen (Abbildung S2, Support-Informationen).
Der Durchmesser der Stoffprobe im Kontakt mit dem Luftstrom beträgt 73 mm (Fläche = 41,9 cm2);es wird während des Tests in der Probenkammer verschlossen.Der Luftstrom, der die „Kontroll“- oder „Proben“-Kammer verlässt, wird einem Laser-Partikelanalysator (Partikelmesssystem LASAIR III 110) zugeführt, um die Anzahl und Konzentration von Latexpartikeln zu messen.Der Partikelanalysator gibt die untere und obere Grenze der Partikelkonzentration an, jeweils 2 × 10-4 und ≈34 Partikel pro Kubikfuß (7 und ≈950 000 Partikel pro Kubikfuß).Für die Messung der Latexpartikelkonzentration wird die Partikelkonzentration in einem „Kasten“ mit einer Untergrenze und einer Obergrenze von 0,10–0,15 µm angegeben, was der ungefähren Größe der Singulett-Latexpartikel im Aerosol entspricht.Es können jedoch auch andere Bin-Größen verwendet und mehrere Bins gleichzeitig mit einer maximalen Partikelgröße von 5 µm ausgewertet werden.
Die Ausrüstung umfasst auch andere Ausrüstung, wie z. B. Ausrüstung zum Spülen der Kammer und des Partikelanalysators mit sauberer gefilterter Luft, sowie die erforderlichen Ventile und Instrumente (Abbildung 1).Die vollständigen Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramme sind in Abbildung S1 und Tabelle S1 der Begleitinformationen dargestellt.
Während des Experiments wurde die Latexsuspension mit einer Durchflussrate von ca. 60 bis 100 µl min-1 in den Aerosolgenerator injiziert, um einen stabilen Partikelausstoß aufrechtzuerhalten, etwa 14–25 Partikel pro Kubikzentimeter (400.000 pro Kubikzentimeter) 700 000 Teilchen).Feet) in einem Behälter mit einer Größe von 0,10–0,15 µm.Dieser Strömungsratenbereich ist wegen der beobachteten Änderungen in der Konzentration von Latexpartikeln stromabwärts des Aerosolgenerators erforderlich, die Änderungen in der Menge an Latexsuspension zugeschrieben werden können, die von der Flüssigkeitsfalle des Aerosolgenerators aufgefangen wird.
Um den PFE einer bestimmten Stoffprobe zu messen, wird das Latexpartikel-Aerosol zuerst durch den Kontrollraum geleitet und dann zum Partikelanalysator geleitet.Messen Sie kontinuierlich die Konzentration von drei Partikeln in schneller Folge, die jeweils eine Minute dauern.Der Partikelanalysator meldet die zeitdurchschnittliche Partikelkonzentration während der Analyse, d. h. die durchschnittliche Partikelkonzentration in einer Minute (28,3 l) der Probe.Nachdem diese Grundlinienmessungen durchgeführt wurden, um eine stabile Partikelzahl und Gasdurchflussrate zu ermitteln, wird das Aerosol in die Probenkammer überführt.Sobald das System das Gleichgewicht erreicht hat (normalerweise 60-90 Sekunden), werden schnell hintereinander drei weitere einminütige Messungen durchgeführt.Diese Probenmessungen stellen die Konzentration von Partikeln dar, die durch die Stoffprobe hindurchgehen.Anschließend wurden durch Aufteilen des Aerosolstroms zurück zum Kontrollraum drei weitere Partikelkonzentrationsmessungen vom Kontrollraum durchgeführt, um zu verifizieren, dass sich die stromaufwärtige Partikelkonzentration während des gesamten Probenbewertungsprozesses nicht wesentlich geändert hat.Da die beiden Kammern baugleich sind – außer dass die Probenkammer den Probenhalter aufnehmen kann – können die Strömungsverhältnisse in der Kammer als gleich angesehen werden, also die Partikelkonzentration im Gas, das die Kontrollkammer und die Probenkammer verlässt verglichen werden können.
Um die Lebensdauer des Partikelanalysegeräts zu erhalten und die Aerosolpartikel im System zwischen jedem Test zu entfernen, verwenden Sie einen HEPA-gefilterten Luftstrahl, um das Partikelanalysegerät nach jeder Messung zu reinigen, und reinigen Sie die Probenkammer, bevor Sie die Proben wechseln.Bitte beachten Sie Abbildung S1 in den Support-Informationen für ein schematisches Diagramm des Luftspülsystems auf dem PFE-Gerät.
Diese Berechnung stellt eine einzelne „wiederholte“ PFE-Messung für eine einzelne Materialprobe dar und entspricht der PFE-Berechnung in ASTM F2299 (Gleichung (2)).
Die in §2.1 beschriebenen Materialien wurden Latexaerosolen unter Verwendung der in §2.3 beschriebenen PFE-Ausrüstung ausgesetzt, um ihre Eignung als Maskenmaterialien zu bestimmen.Abbildung 2 zeigt die Messwerte des Partikelkonzentrationsanalysators, gleichzeitig werden die PFE-Werte von Pulloverstoffen und Wattematerialien gemessen.Es wurden drei Probenanalysen für insgesamt zwei Materialien und sechs Wiederholungen durchgeführt.Offensichtlich unterscheidet sich der erste Messwert in einem Satz von drei Messwerten (mit einer helleren Farbe schattiert) normalerweise von den anderen beiden Messwerten.Beispielsweise unterscheidet sich der erste Messwert vom Durchschnitt der beiden anderen Messwerte in den 12-15-Tripeln in Abbildung 2 um mehr als 5 %.Diese Beobachtung hängt mit dem Gleichgewicht der aerosolhaltigen Luft zusammen, die durch den Partikelanalysator strömt.Wie in Materialien und Methoden besprochen, wurden die Gleichgewichtswerte (zweite und dritte Kontroll- und Probenwerte) verwendet, um die PFE in Dunkelblau- bzw. Rottönen in Abbildung 2 zu berechnen.Insgesamt beträgt der durchschnittliche PFE-Wert der drei Wiederholungen 78 % ± 2 % für Pullovergewebe und 74 % ± 2 % für Baumwollwattematerial.
Um die Leistung des Systems zu bewerten, wurden auch ASTM 2100-zertifizierte medizinische Masken (L2, L3) und NIOSH-Atemschutzgeräte (N95) bewertet.Der ASTM F2100-Standard legt die Submikron-Partikelfiltrationseffizienz von 0,1-µm-Partikeln von Masken der Stufe 2 und Stufe 3 auf ≥ 95 % bzw. ≥ 98 % fest.[5] In ähnlicher Weise müssen NIOSH-zertifizierte N95-Atemschutzgeräte eine Filtrationseffizienz von ≥95 % für zerstäubte NaCl-Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,075 µm aufweisen.[24] Rengasamy et al.Berichten zufolge weisen ähnliche N95-Masken einen PFE-Wert von 99,84 %–99,98 % auf, [25] Zangmeister et al.Berichten zufolge erzeugt ihr N95 eine minimale Filtrationseffizienz von mehr als 99,9 %, [14] während Joo et al.Berichten zufolge produzierten 3M N95-Masken 99 % PFE (300-nm-Partikel), [16] und Hao et al.Das berichtete N95 PFE (300-nm-Partikel) beträgt 94,4 %.[17] Für die beiden von Shakya et al.bei 0,1-µm-Latexkügelchen fiel der PFE ungefähr zwischen 80 % und 100 %.[19] Als Lu et al.Bei Verwendung von Latexkugeln derselben Größe zur Bewertung von N95-Masken wird ein durchschnittlicher PFE von 93,8 % angegeben.[20] Die Ergebnisse, die mit der in dieser Arbeit beschriebenen Ausrüstung erhalten wurden, zeigen, dass der PFE der N95-Maske 99,2 ± 0,1 % beträgt, was in guter Übereinstimmung mit den meisten früheren Studien steht.
Auch chirurgische Masken wurden in mehreren Studien getestet.Die chirurgischen Masken von Hao et al.zeigten einen PFE (300-nm-Partikel) von 73,4 %, [17] während die drei von Drewnick et al.Das produzierte PFE reicht von ungefähr 60 % bis fast 100 %.[15] (Die letztere Maske kann ein zertifiziertes Modell sein.) Zangmeister et al.Berichten zufolge liegt die minimale Filtrationseffizienz der beiden getesteten chirurgischen Masken nur geringfügig über 30 % [14] und damit weit unter der der in dieser Studie getesteten chirurgischen Masken.Auch die von Joo et al.Beweisen Sie, dass PFE (300-nm-Partikel) nur 22 % beträgt.[16] Shakyaet al.berichteten, dass der PFE von chirurgischen Masken (unter Verwendung von 0,1-µm-Latexpartikeln) ungefähr um 60-80 % abnahm.[19] Unter Verwendung von Latexkugeln derselben Größe erzielte die chirurgische Maske von Lu et al. ein durchschnittliches PFE-Ergebnis von 80,2 %.[20] Im Vergleich dazu beträgt der PFE unserer L2-Maske 94,2 ± 0,6 % und der PFE der L3-Maske 94,9 ± 0,3 %.Obwohl diese PFEs viele PFEs in der Literatur übertreffen, müssen wir beachten, dass in der vorherigen Forschung fast keine Zertifizierungsstufe erwähnt wurde und unsere chirurgischen Masken eine Zertifizierung der Stufen 2 und 3 erhalten haben.
Auf die gleiche Weise, wie die in Frage kommenden Maskenmaterialien in Abbildung 2 analysiert wurden, wurden drei Tests an den anderen sechs Materialien durchgeführt, um ihre Eignung in der Maske zu bestimmen und den Betrieb der PFE-Vorrichtung zu demonstrieren.Abbildung 3 stellt die PFE-Werte aller getesteten Materialien dar und vergleicht sie mit den PFE-Werten, die durch die Bewertung zertifizierter L3- und N95-Maskenmaterialien erhalten wurden.Aus den 11 für diese Arbeit ausgewählten Masken/Kandidaten-Maskenmaterialien ist ein breites Spektrum an PFE-Leistung deutlich zu erkennen, das von ≈10 % bis nahezu 100 % reicht, was mit anderen Studien [8, 9, 15] und Branchendeskriptoren übereinstimmt Es gibt keine klare Beziehung zwischen PFE und PFE.Materialien mit ähnlicher Zusammensetzung (zwei Proben aus 100 % Baumwolle und Baumwoll-Musselin) weisen beispielsweise sehr unterschiedliche PFE-Werte auf (jeweils 14 %, 54 % und 13 %).Aber es ist wichtig, dass niedrige Leistung (z. B. 100 % Baumwolle A; PFE ≈ 14 %), mittlere Leistung (z. B. 70 %/30 % Baumwolle/Polyester-Mischung; PFE ≈ 49 %) und hohe Leistung (z. B. Pullover Stoff; PFE ≈ 78%) Der Stoff kann mit der in dieser Arbeit beschriebenen PFE-Ausrüstung eindeutig identifiziert werden.Besonders Pulloverstoffe und Baumwollwatte schnitten sehr gut ab, wobei die PFEs zwischen 70 % und 80 % lagen.Solche Hochleistungsmaterialien können genauer identifiziert und analysiert werden, um die Eigenschaften zu verstehen, die zu ihrer hohen Filtrationsleistung beitragen.Wir möchten jedoch daran erinnern, dass, da die PFE-Ergebnisse von Materialien mit ähnlichen Branchenbeschreibungen (z. B. Baumwollmaterialien) sehr unterschiedlich sind, diese Daten nicht angeben, welche Materialien für Stoffmasken allgemein nützlich sind, und wir nicht beabsichtigen, die Eigenschaften abzuleiten. Materialkategorien.Das Leistungsverhältnis.An konkreten Beispielen demonstrieren wir die Kalibrierung, zeigen, dass die Messung den gesamten Bereich möglicher Abscheidegrade abdeckt, und geben die Größe des Messfehlers an.
Wir haben diese PFE-Ergebnisse erhalten, um zu beweisen, dass unsere Geräte ein breites Spektrum an Messfähigkeiten und einen geringen Fehler aufweisen und mit Daten aus der Literatur verglichen werden.Zangmeister et al.Die PFE-Ergebnisse mehrerer gewebter Baumwollstoffe (z. B. „Cotton 1-11“) (89 bis 812 Fäden pro Zoll) werden berichtet.Bei 9 der 11 Materialien reicht die „Mindestfiltrationseffizienz“ von 0 % bis 25 %;der PFE der anderen beiden Materialien beträgt etwa 32 %.[14] In ähnlicher Weise haben Konda et al.Die PFE-Daten von zwei Baumwollgeweben (80 und 600 TPI; 153 und 152 g/m²) werden berichtet.Der PFE reicht von 7 % bis 36 % bzw. 65 % bis 85 %.In der Studie von Drewnick et al. liegt bei einlagigen Baumwollstoffen (z. B. Baumwolle, Baumwollstrick, Moleton; 139–265 TPI; 80–140 gm–2) der PFE-Bereich des Materials bei etwa 10 % bis 30 %.In der Studie von Joo et al. hat ihr Material aus 100 % Baumwolle einen PFE von 8 % (300-nm-Partikel).Bagheriet al.verwendete Polystyrol-Latexpartikel von 0,3 bis 0,5 µm.Der PFE von sechs Baumwollmaterialien (120–200 TPI; 136–237 gm –2 ) wurde gemessen und reichte von 0 % bis 20 %.[18] Daher stimmen die meisten dieser Materialien gut mit den PFE-Ergebnissen unserer drei Baumwollstoffe (dh Veratex Muslin CT, Fabric Store Cottons A und B) überein, und ihre durchschnittliche Filtrationseffizienz beträgt 13 % bzw. 14 %.54 %.Diese Ergebnisse zeigen, dass es große Unterschiede zwischen Baumwollmaterialien gibt und dass die Materialeigenschaften, die zu einem hohen PFE führen (dh die 600-TPI-Baumwolle von Konda et al.; unsere Baumwolle B), kaum bekannt sind.
Wenn wir diese Vergleiche anstellen, geben wir zu, dass es schwierig ist, in der Literatur getestete Materialien zu finden, die die gleichen Eigenschaften (dh Materialzusammensetzung, Weben und Stricken, TPI, Gewicht usw.) wie die in dieser Studie getesteten Materialien aufweisen daher nicht direkt vergleichbar.Darüber hinaus erschweren die Unterschiede in den von den Autoren verwendeten Instrumenten und die fehlende Standardisierung gute Vergleiche.Dennoch ist es klar, dass das Leistungs/Leistungsverhältnis von gewöhnlichen Stoffen nicht gut verstanden wird.Die Materialien werden weiter mit standardisierten, flexiblen und zuverlässigen Geräten (wie den in dieser Arbeit beschriebenen Geräten) getestet, um diese Beziehungen zu bestimmen.
Obwohl ein statistischer Gesamtfehler (0–5 %) zwischen einer einzelnen Wiederholung (0–4 %) und den dreifach analysierten Proben besteht, erwies sich die in dieser Arbeit vorgeschlagene Ausrüstung als effektives Werkzeug zum Testen von PFE verschiedener Materialien.Gewöhnliche Stoffe bis hin zu zertifizierbaren medizinischen Masken.Es ist erwähnenswert, dass bei den 11 für Abbildung 3 getesteten Materialien der Ausbreitungsfehler σprop die Standardabweichung zwischen den PFE-Messungen einer einzelnen Probe übersteigt, d. h. die σsd von 9 von 11 Materialien;diese beiden Ausnahmen treten bei sehr hohen PFE-Werten auf (dh L2- und L3-Maske).Obwohl die von Rengasamy et al.Sie zeigten, dass der Unterschied zwischen wiederholten Proben gering ist (dh fünf Wiederholungen <0,29 %) [25] und untersuchten Materialien mit bekannten Filtereigenschaften, die speziell für die Maskenherstellung entwickelt wurden: Das Material selbst kann einheitlicher sein, und der Test ist auch Dies Bereich des PFE-Bereichs kann konsistenter sein.Insgesamt stimmen die mit unseren Geräten erzielten Ergebnisse mit den PFE-Daten und Zertifizierungsstandards anderer Forscher überein.
Obwohl PFE ein wichtiger Indikator zur Messung der Leistung einer Maske ist, müssen wir die Leser an dieser Stelle daran erinnern, dass eine umfassende Analyse zukünftiger Maskenmaterialien andere Faktoren berücksichtigen muss, nämlich die Materialdurchlässigkeit (d. h. durch Druckabfall oder Differenzdrucktest). ).Es gibt Vorschriften in ASTM F2100 und F3502.Eine akzeptable Atmungsaktivität ist wesentlich für den Komfort des Trägers und verhindert ein Auslaufen des Maskenrandes während des Atmens.Da die PFE und die Luftdurchlässigkeit vieler gängiger Materialien normalerweise umgekehrt proportional sind, sollte die Druckabfallmessung zusammen mit der PFE-Messung durchgeführt werden, um die Leistung des Maskenmaterials vollständiger zu bewerten.
Wir empfehlen, dass Richtlinien für den Bau von PFE-Geräten gemäß ASTM F2299 für die kontinuierliche Verbesserung der Standards, die Generierung von Forschungsdaten, die zwischen Forschungslabors verglichen werden können, und die Verbesserung der Aerosolfiltration unerlässlich sind.Verlassen Sie sich nur auf den NIOSH-Standard (oder F3502), der ein einzelnes Gerät (TSI 8130A) spezifiziert und Forscher daran hindert, schlüsselfertige Geräte (z. B. TSI-Systeme) zu kaufen.Das Vertrauen in standardisierte Systeme wie TSI 8130A ist wichtig für die aktuelle Standardzertifizierung, schränkt jedoch die Entwicklung von Masken, Atemschutzmasken und anderen Aerosolfiltrationstechnologien ein, die dem Forschungsfortschritt zuwiderlaufen.Es ist erwähnenswert, dass der NIOSH-Standard als Methode zum Testen von Atemschutzmasken unter den rauen Bedingungen entwickelt wurde, die erwartet werden, wenn diese Ausrüstung benötigt wird, aber im Gegensatz dazu werden chirurgische Masken mit ASTM F2100/F2299-Methoden getestet .Die Form und der Stil von Community-Masken ähneln eher chirurgischen Masken, was nicht bedeutet, dass sie eine hervorragende Filtrationseffizienz wie N95 aufweisen.Wenn chirurgische Masken immer noch gemäß ASTM F2100/F2299 bewertet werden, sollten gewöhnliche Stoffe mit einer Methode analysiert werden, die näher an ASTM F2100/F2299 liegt.Darüber hinaus ermöglicht ASTM F2299 zusätzliche Flexibilität bei verschiedenen Parametern (z. B. Luftdurchflussrate und Oberflächengeschwindigkeit in Filtrationseffizienzstudien), was es zu einem ungefähr überlegenen Standard in einer Forschungsumgebung machen kann.
Postzeit: 30. August 2021