Caratterizzazione delle mascherine facciali con il porometro POROLUX™ 100

Introduzione

In questo approfondimento illustreremo come il porometro gas-liquido POROLUX™ 100, basato sul metodo pressure scan, sia in grado di misurare la distribuzione della dimensione dei pori delle mascherine chirurgiche e dei respiratori FFP.

Mascherine chirurgiche e respiratori: quali sono le differenze?

Le mascherine chirurgiche vengono indossate dagli operatori sanitari al fine di trattenere i batteri contenuti in goccioline di liquidi e aerosol provenienti dalla bocca e dal naso di chi li indossa. In questo modo, il paziente è protetto quando il personale sanitario tossisce o starnutisce. Contrariamente a quanto si pensi, le mascherine di questo tipo non sono in grado di proteggere chi le indossa dal rischio di inalare batteri o virus.
Le mascherine chirurgiche vengono classificate secondo gli standard di sicurezza ASTM (US), EN (Europa) e YY (Cina).
Un respiratore è invece una maschera aderente, progettata per proteggere chi lo indossa dall'inalazione di particelle sospese nell'aria. Nel test sotto riportato è stato analizzato un respiratore facciale filtrante. I respiratori più usati sono i modelli N95, N99, N100 (NIOSH, US), FFP1, FFP2, FFP3 (CEN, Europa) e KN95 (GB, Cina).

Mascherina chirurgica (sinistra) e respiratore (destra)

Composizione di una mascherina

Le mascherine chirurgiche sono realizzate in non tessuto di fibre di polipropilene e sono composte da tre strati: il primo e il terzo in Spunbond, il secondo in Meltblown. Questa composizione è nota come tecnologia SMS (Spunbond / Meltblown / Spunbond). La grammatura del primo e terzo strato è di 20 gsm (grammi per m²), mentre quella del secondo strato pari a 25 gsm. L'utilizzo di non tessuto di fibre di polipropilene trova la sua ragione poiché presenta il più alto tasso di traspirabilità, efficienza nella filtrazione dei batteri e il minor costo rispetto ai tessuti.
Allo stesso modo i respiratori sono composti da tre o quattro strati. Come per le mascherine chirurgiche, il primo e il terzo strato sono in Spunbond, il secondo in Meltblown. Insieme formano un multistrato, in cui lo spazio tra le fibre consente la traspirazione.

I tre strati di una mascherina chirurgica (sopra) e di un respiratore (sotto)

Il metodo di misura del POROLUX™ 100

Il porometro POROLUX™ 100 è un porometro gas-liquido, basato sul metodo pressure scan. Durante l'analisi la pressione applicata viene incrementata con continuità mentre il flusso di gas vene contemporaneamente misurato. Il metodo pressure scan è molto rapido e genera risultati molto riproducibili; è pertanto apprezzato negli ambienti dove la semplicità d'uso, la velocità e la riproducibilità sono requisiti indispensabili. Inoltre, il POROLUX™ 100 è la giusta scelta per il Controllo Qualità.
La tecnica prevede prima di tutto che il campione venga impregnato con un liquido bagnante, inerte e non tossico. Il campione viene successivamente inserito nel POROLUX™ 100, dove il liquido viene spinto fuori dai pori, applicando pressione mediante un gas inerte. Si ottiene in questo modo la cosiddetta curva wet, che quantifica il flusso di gas misurato rispetto alla pressione applicata (inversamente proporzionale alla dimensione dei pori).
Dopo aver registrato la curva wet, viene misurato anche il flusso di gas rispetto alla pressione applicata sul campione già svuotato dal liquido; si ottiene in questo modo la cosiddetta curva dry. Dai dati provenienti dalle curve wet, dry e half-dry (curva dry divisa per un fattore 2), si possono ottenere informazioni sulla matrice porosa.
Lo strumento consente di applicare una pressione massima di 1.5 bar e di misurare pori di dimensione minima di 0.4 micron.
La determinazione del punto di bolla (o First Bubble Point, FBP), ovvero informazioni sul diametro del poro più grande, si basa sul metodo descritto dallo standard ASTM F316-03.

Differenze riscontrate tra la mascherina chirurgica e il respiratore

Le curve wet e dry per la mascherina e il respiratore misurati

Il POROLUX™ 100 permette una misura semplice e rapida della permeabilità, definita come il flusso di aria che passa attraverso materiali porosi. Si tratta di una delle caratteristiche più importanti del non tessuto di fibre di polipropilene che compone le mascherine. A causa della disposizione casuale delle fibre, sono presenti pori di varie forme geometriche. Di solito, la permeabilità dipende dal diametro delle fibre, la dimensione dei pori, la porosità e lo spessore dei campioni.
Nella tabella sottostante sono riportati i risultati dei testi di permeabilità effettuati (pressione 20 mbar).

Risultati

In base ai risultati ottenuti con il POROLUX™ 100, possiamo sintetizzare quanto segue:

Come mostrato in figura 2 e 4, sia mascherina sia respiratore presentano dei pori di dimensioni maggiori negli strati esterni rispetto allo strato intermedio. Nello strato intermedio, che viene spesso definito strato filtrante, si denota la presenza di pori più piccoli.
Quando si effettua una misura dei tre strati assemblati, vengono misurati i pori più piccoli, ovvero quelli nel secondo strato - questo in accordo con la teoria della porometria, dove ciò che viene misurato è sempre il cosiddetto pore throat.
Le figure 5 e 6 mostrano le differenze del secondo strato tra la mascherina chirurgica e il respiratore, in termini di diametro e flusso. Lo strato intermedio del respiratore è composto da pori più piccoli di quelli presenti nello stesso strato della mascherina chirurgica. La figura 6 rappresenta il mean flow pore diameter (dimensione del poro in corrispondenza del quale è avvenuto il passaggio del 50% del flusso totale di gas), inferiore nel respiratore (10.7 micron) rispetto alla mascherina chirurgica (12.8 micron).
Come dimostrato nelle figure 1 e 3, i risultati ottenuti sono perfettamente riproducibili. Questo conferma il POROLUX™ 100 come un prezioso alleato nel Controllo Qualità.
Il POROLUX™ 100 consente inoltre misure semplici e accurate della permeabilità, una delle caratteristiche più importanti del non tessuto che compone le mascherine.

Conclusioni

Questo esperimento dimostra come la permeabilità e la dimensione dei pori delle mascherine siano facilmente misurabili grazie al porometro POROLUX™ 100. Le misure veloci (meno di 5 minuti) e riproducibili, mostrano le evidenti differenze tra mascherine e respiratori. I dati ottenuti attraverso lo strumento sono un valore aggiunto nella Ricerca & Sviluppo e ottimi indicatori per il Controllo Qualità.

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