Quelles sont les raisons, du point de vue des sciences des matériaux, qui justifient l'utilisation de différents types demasquesEn ce qui concerne les équipements de protection individuelle (EPI), quels sont les matériaux polymères spéciaux et les procédés de fabrication impliqués ?
De quelle matière sont faits les masques ?
Pourquoi une telle différence entre les différents masques ? Lorsque j’écrivais, j’ai ouvert un masque à charbon actif à quatre couches, couramment utilisé en laboratoire, pour découvrir sa composition interne :
Comme on peut le constater, le masque est composé de quatre couches. Les deux couches extérieures sont constituées de deux matériaux semblables à du tissu : la couche noire est en charbon actif et l’autre est dense, ressemblant un peu à une serviette. Après quelques recherches, il s’avère qu’à l’exception de la couche intermédiaire en charbon actif, les trois autres couches sont composées d’un matériau appelé tissu non tissé. Le tissu non tissé (également appelé non-woven fabric ou nonwoven cloth) est fabriqué à partir de fibres orientées ou aléatoires. Il est appelé tissu en raison de son aspect et de certaines de ses propriétés.
Il existe de nombreux procédés de fabrication pour les tissus non tissés, notamment le spunbond, le procédé de fusion-pulvérisation, le laminage à chaud, le filage, etc. Les fibres brutes utilisables sont principalement le polypropylène (PP) et le polyester (PET). On trouve également le nylon (PA), la fibre de viscose, la fibre acrylique, la fibre de polypropylène (PEHD), le PVC, etc.
Actuellement, la plupart des non-tissés commercialisés sont produits par le procédé spunbond. Ce procédé consiste à former un filament continu par extrusion et étirage du polymère, puis à disposer ce filament en un réseau. Ce réseau de fibres est ensuite lié entre lui, par thermocollage, par liaison chimique ou par renforcement mécanique, pour former un non-tissé. Les non-tissés spunbond sont facilement identifiables : leurs points de laminage ont généralement une forme de losange.
Un autre procédé courant de fabrication de non-tissés est le procédé d'aiguilletage. Le principe consiste à perforer à plusieurs reprises le réseau de fibres à l'aide d'aiguilles à bords barbelés et à bords triangulaires (ou autres). Lorsque l'aiguille traverse le réseau, elle comprime la surface et la couche interne locale des fibres. Le frottement entre les fibres comprime alors le réseau initialement duveteux. Lorsque l'aiguille sort du réseau, les barbes laissent des brins qui s'emmêlent et ne peuvent plus retrouver leur état duveteux initial. Après de nombreux cycles d'aiguilletage, de nombreux faisceaux de fibres sont perforés dans le réseau, et les fibres s'entremêlent, formant ainsi le non-tissé aiguilleté, qui présente une certaine résistance et une certaine épaisseur.
Mais les pores des deux tissus non tissés sont trop grands pour permettre, à des fins médicales, l'isolement des virus d'une taille d'environ 100 nm.
Par conséquent, la couche intermédiaire des masques chirurgicaux est généralement fabriquée en tissu non tissé par fusion-projection. La production de ce tissu non tissé par fusion-projection consiste d'abord à introduire le mélange-maître de polymère (généralement du polypropylène) dans l'extrudeuse et à le faire fondre à une température d'environ 240 °C (pour le PP). Le polymère fondu passe ensuite par une pompe doseuse et atteint la tête du moule d'injection. Lorsque le polymère ainsi formé est extrudé par la filière, l'air comprimé agit sur le polymère et étire le filament chaud jusqu'à un diamètre de 1 à 10 µm à une vitesse supersonique (550 m/s). De par ses propriétés physiques, ce type de tissu est appelé tissu de microfibres. Ces fibres ultrafines, dotées d'une capillarité unique, augmentent le nombre et la surface de fibres par unité de surface, conférant ainsi aux tissus obtenus par fusion-projection d'excellentes propriétés de filtration, de protection, d'isolation et d'absorption d'huile. Ce tissu peut être utilisé comme matériau de filtration d'air et de liquides, comme matériau d'isolation, comme matériau pour masques, et dans d'autres domaines.
Le mécanisme de filtration des masques médicaux repose sur la diffusion brownienne, l'interception, la collision inertielle, la sédimentation par gravité et l'adsorption électrostatique. Les quatre premiers sont des facteurs physiques inhérents aux tissus non tissés produits par fusion-pulvérisation. Leur capacité de filtration est d'environ 35 %, ce qui est insuffisant pour les masques médicaux. Il est nécessaire d'appliquer un traitement de surface au matériau afin de charger électriquement les fibres et d'utiliser l'adsorption électrostatique pour capturer les aérosols contenant le nouveau coronavirus.
L'aérosol du nouveau coronavirus a été capturé par adsorption grâce à la force de Coulomb des fibres chargées. Le principe consiste à rendre la surface du matériau filtrant plus ouverte, ce qui augmente la capacité de capture des particules et la densité de charge. L'adsorption des particules et l'effet de polarisation sont ainsi renforcés. La couche filtrante en matériau non tissé soufflé à l'état fondu, qui doit traverser la membrane, ne peut être modifiée sous l'effet de la résistance respiratoire et atteint une filtrabilité de 95 %, ce qui la rend efficace contre le virus.
Après quelques recherches, j'ai une compréhension générale de la composition du masque que j'ai en main : la couche extérieure est faite de tissu non tissé aiguilleté en PP, et la couche intermédiaire est une couche de charbon actif et une couche de tissu PP fondu par pulvérisation.
Date de publication : 29 août 2020