Welche materialwissenschaftlichen Gründe stecken hinter der Verwendung verschiedener Arten vonMasken?Und im Hinblick auf persönliche Schutzausrüstung (PSA): Welche speziellen Polymermaterialien und Herstellungsverfahren kommen zum Einsatz?
Aus welchem Material bestehen Masken?
Warum gibt es so große Unterschiede zwischen den verschiedenen Masken? Während ich diesen Artikel schrieb, schnitt ich eine vierlagige Aktivkohlemaske, die üblicherweise im Labor verwendet wird, auf, um herauszufinden, wie sie von innen aussieht:
Wie wir sehen können, besteht die Maske aus vier Lagen. Die beiden äußeren Lagen sind stoffähnlich. Die schwarze Lage besteht aus Aktivkohle, die andere ist dichter und ähnelt einer Serviette. Nach etwas Recherche stellte sich heraus, dass die drei übrigen Lagen – mit Ausnahme der mittleren Aktivkohleschicht – aus einem Vliesstoff bestehen. Vliesstoff (auch Nonwoven Fabric oder Nonwoven Cloth genannt) wird aus gerichtet oder ungerichtet angeordneten Fasern hergestellt. Aufgrund seines Aussehens und bestimmter Eigenschaften wird er als Stoff bezeichnet.
Es gibt zahlreiche Herstellungsverfahren für Vliesstoffe, darunter Spinnvlies, Schmelzspritzverfahren, Heißwalzverfahren und Spinnverfahren. Als Rohfasern werden hauptsächlich Polypropylen (PP) und Polyester (PET) verwendet. Darüber hinaus kommen Nylon (PA), Viskosefasern, Acrylfasern, Polypropylenfasern (HDPE), PVC usw. zum Einsatz.
Derzeit werden die meisten Vliesstoffe im Spinnvliesverfahren hergestellt. Dabei wird ein Endlosfilament durch Extrudieren und Strecken des Polymers erzeugt. Anschließend wird das Filament zu einem Netz gelegt und dieses Fasernetz durch Selbstbindung, thermische Bindung, chemische Bindung oder mechanische Verstärkung miteinander verbunden, wodurch der Vliesstoff entsteht. Spinnvliesstoffe sind leicht zu erkennen. Ihre Walzstellen sind in der Regel rautenförmig.
Ein weiteres gängiges Herstellungsverfahren für Vliesstoffe ist das Nadelvlies. Dabei wird das Fasernetz wiederholt mit Widerhaken und Kanten dreieckiger (oder anderer) Nadelabschnitte durchstochen. Beim Durchdringen des Netzes drückt der Widerhaken die Oberfläche und die inneren Schichten des Netzes zusammen. Durch die Reibung zwischen den Fasern wird das ursprünglich flauschige Netz komprimiert. Beim Austritt der Nadel bleiben Fasern an den Widerhaken zurück, die sich im Netz verfangen und nicht wieder ihre ursprüngliche, flauschige Struktur annehmen können. Nach mehrmaligem Vernadeln befinden sich zahlreiche Faserbündel im Fasernetz, die sich miteinander verhaken und so das Nadelvlies mit einer bestimmten Festigkeit und Dicke bilden.
Die Poren der beiden Vliesstoffe sind jedoch für medizinische Zwecke zu groß, um Viren mit einer Größe von etwa 100 nm zu isolieren.
Die Zwischenschicht von OP-Masken besteht daher aus Vliesstoff, der im Schmelzspritzverfahren hergestellt wird. Bei der Herstellung dieses Vliesstoffs wird zunächst das Polymer-Masterbatch (in der Regel Polypropylen) in den Extruder gegeben und dort bei einer Temperatur von ca. 240 °C (für PP) geschmolzen. Die Schmelze durchströmt die Dosierpumpe und gelangt zum Spritzkopf. Beim Austritt aus der Düse wird das frisch entstandene Polymer durch Druckluft zu einem heißen Faserstrang mit einem Durchmesser von 1–10 m verformt. Die Luftgeschwindigkeit beträgt über der Schallgeschwindigkeit (550 m/s). Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften wird ein solches Gewebe als Mikrofasergewebe bezeichnet. Die ultrafeinen Fasern mit ihrer einzigartigen Kapillarwirkung erhöhen die Anzahl und die Oberfläche der Fasern pro Flächeneinheit. Dadurch weisen die schmelzgespritzten Vliesstoffe gute Filtrations-, Abschirmungs-, Isolations- und Ölabsorptionseigenschaften auf. Sie können in Bereichen wie Luft- und Flüssigkeitsfiltration, Isolation und Maskenherstellung eingesetzt werden.
Der Filtermechanismus von medizinischen Masken beruht auf Brownscher Diffusion, Interzeption, Trägheitskollision, Sedimentation durch Schwerkraft und elektrostatischer Adsorption. Die ersten vier sind physikalische Faktoren und natürliche Eigenschaften von Vliesstoffen, die durch Schmelzsprühverfahren hergestellt werden. Die Filterleistung beträgt etwa 35 %. Dies genügt nicht den Anforderungen an medizinische Masken. Daher ist eine stationäre Behandlung des Materials erforderlich, um die Fasern elektrisch aufzuladen und die Aerosole, in denen das neuartige Coronavirus enthalten ist, elektrostatisch abzufangen.
Das neuartige Coronavirus-Aerosol wurde durch Adsorption mittels Coulomb-Kräften geladener Fasern eingefangen. Das Prinzip besteht darin, die Oberfläche des Filtermaterials zu vergrößern, wodurch die Partikelabsorption verstärkt und die Ladungsdichte erhöht wird. Dies führt zu einer stärkeren Adsorption der Partikel und einem stärkeren Polarisationseffekt. Daher kann die Filterschicht aus schmelzgeblasenem Vliesstoff, die den Filter passieren muss, unter der Voraussetzung eines Atemwiderstands keine Veränderungen erfahren und erreicht eine Filterleistung von 95 %, wodurch sie wirksam gegen das Virus ist.
Nach einigen Recherchen habe ich ein allgemeines Verständnis von der Zusammensetzung der Maske, die ich in der Hand halte: Die äußere Schicht besteht aus nadelgestanztem Vliesstoff aus PP, und die Zwischenschicht besteht aus einer Aktivkohleschicht und einer PP-Schmelzsprühgewebeschicht.
Veröffentlichungsdatum: 29. August 2020