Wat zijn de materiaalkundige redenen voor het gebruik van verschillende soorten?maskersAls we het hebben over persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM's), welke speciale polymeermaterialen en productieprocessen worden daarbij gebruikt?
Van welk materiaal zijn maskers gemaakt?
Waarom is er zo'n groot verschil tussen verschillende maskers? Tijdens het schrijven sneed ik een vierlaags masker met actieve kool open, dat vaak in laboratoria wordt gebruikt, om te ontdekken hoe het er vanbinnen uitziet:
Zoals we kunnen zien, is het masker verdeeld in vier lagen. De twee buitenste lagen zijn gemaakt van twee stofachtige materialen: de zwarte laag is actieve kool en de andere laag is dichter van structuur, een beetje zoals een servet. Na wat onderzoek bleek dat, naast de middelste laag van actieve kool, de andere drie lagen bestaan uit een soort non-woven stof. Non-woven stof (Engelse naam: non-woven fabric of nonwoven cloth) is gemaakt van vezels met een gerichte of willekeurige oriëntatie. Het wordt stof genoemd vanwege het uiterlijk en bepaalde eigenschappen.
Er bestaan veel verschillende productieprocessen voor non-woven stoffen, waaronder het spunbondproces, het smeltspuitproces, het warmwalsen, het spinproces, enzovoort. De grondstoffen die hiervoor gebruikt kunnen worden, zijn voornamelijk polypropyleen (PP) en polyester (PET). Daarnaast zijn er nylon (PA), viscosevezel, acrylvezel, polypropyleenvezel (HDPE), PVC, enzovoort.
Momenteel worden de meeste non-woven stoffen op de markt geproduceerd met de spunbond-methode. Bij deze methode worden door extrusie en stretching van het polymeer continue filamenten gevormd. Deze filamenten worden vervolgens tot een netwerk gelegd, waarna het vezelnetwerk door middel van thermische, chemische of mechanische versteviging aan elkaar wordt gehecht, waardoor een non-woven materiaal ontstaat. Spunbonded non-woven stoffen zijn gemakkelijk te herkennen. Over het algemeen heeft het rolpunt van spunbonded non-woven stoffen een ruitvorm.
Een ander veelgebruikt productieproces voor non-woven materialen is het naaldweven. Het principe is om het vezelnet herhaaldelijk te doorboren met weerhaakjes en de randen van driehoekige secties (of andere secties). Wanneer de weerhaakjes door het net gaan, drukken ze de oppervlakte en de plaatselijke binnenste laag van het net samen. Door de wrijving tussen de vezels wordt het oorspronkelijke pluizige netwerk samengedrukt. Wanneer de naald het net verlaat, blijven er vezels achter bij de weerhaakjes, waardoor veel vezels in het net verstrengeld raken en niet meer hun oorspronkelijke pluizige vorm aannemen. Na vele naaldweefbeurten zijn er veel vezelbundels in het vezelnet geprikt en raken de vezels in het net met elkaar verstrengeld, waardoor het naaldweefmateriaal een bepaalde sterkte en dikte krijgt.
De poriën van de twee niet-geweven stoffen zijn echter te groot voor medische doeleinden om virussen van ongeveer 100 nm te isoleren.
Daarom wordt de tussenlaag van een algemeen chirurgisch masker gemaakt van non-woven stof door middel van smeltspuiten. De productie van smeltspuitnon-woven stof begint met het toevoegen van een polymeermasterbatch (meestal polypropyleen) aan een extruder, waar deze wordt gesmolten bij een temperatuur van ongeveer 240 °C (voor PP). De smelt passeert een doseerpomp en bereikt de spuitmond. Wanneer het nieuw gevormde polymeer uit de spuitmond wordt geëxtrudeerd, werkt de perslucht in op het polymeer en trekt de hete filamenten tot een diameter van 1 tot 10 meter met een luchtsnelheid hoger dan het geluid (550 m/s). Op basis van de fysische eigenschappen wordt een dergelijk netwerk een microvezelnetwerk genoemd. Deze ultrafijne vezels met unieke capillaire werking vergroten het aantal en het oppervlak van de vezels per oppervlakte-eenheid, waardoor de smeltspuitstoffen goede filter-, afschermings-, isolatie- en olieabsorberende eigenschappen hebben. Het kan worden gebruikt als lucht- en vloeistoffiltermateriaal, isolatiemateriaal, maskermateriaal en andere toepassingen.
Het filtermechanisme van een medisch masker berust op Brownse diffusie, interceptie, inertiële botsing, zwaartekrachtafzetting en elektrostatische adsorptie. De eerste vier zijn allemaal fysische factoren, die inherent zijn aan de natuurlijke eigenschappen van non-woven stoffen die door middel van smeltspuiten worden geproduceerd. De filtercapaciteit bedraagt ongeveer 35%. Dit voldoet niet aan de eisen van een medisch masker. We moeten het materiaal stationair behandelen, de vezels elektrisch laden en elektrostatische adsorptie gebruiken om de aerosolen waarin het nieuwe coronavirus zich bevindt, af te vangen.
Het nieuwe coronavirus (aerosol) werd opgevangen door adsorptie via de coulombkracht van geladen vezels. Het principe is dat door het oppervlak van het filtermateriaal opener te maken, het vermogen van de deeltjes om deeltjes op te vangen groter wordt en de ladingsdichtheid toeneemt, waardoor de adsorptie van deeltjes en het polarisatie-effect sterker worden. Hierdoor kan de filterlaag van smeltgeblazen non-woven filtermateriaal, die de deeltjes moet verwerken, onder de voorwaarde van ademhalingsweerstand niet veranderen en een filterrendement van 95% bereiken, waardoor het effectief is tegen het virus.
Na enig onderzoek heb ik een algemeen beeld van de samenstelling van het masker dat ik in handen heb: de buitenste laag is gemaakt van naaldgeponst non-woven PP-doek, en de tussenlaag bestaat uit een laag actieve kool en een laag PP-smeltspuitdoek.
Geplaatst op: 29 augustus 2020