ศูนย์ความเป็นเลิศด้านอุปกรณ์ป้องกันและวัสดุ (CEPEM), 1280 Main St. W., Hamilton, ON, Canada
ใช้ลิงก์ด้านล่างเพื่อแชร์เวอร์ชันข้อความเต็มของบทความนี้กับเพื่อนและเพื่อนร่วมงานของคุณเรียนรู้เพิ่มเติม.
หน่วยงานสาธารณสุขแนะนำให้ชุมชนใช้หน้ากากเพื่อลดการแพร่กระจายของโรคในอากาศเช่น COVID-19เมื่อหน้ากากทำหน้าที่เป็นแผ่นกรองที่มีประสิทธิภาพสูง การแพร่กระจายของไวรัสจะลดลง ดังนั้นการประเมินประสิทธิภาพการกรองอนุภาค (PFE) ของหน้ากากจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายสูงและระยะเวลารอคอยสินค้าที่ยาวนานซึ่งเกี่ยวข้องกับการซื้อระบบ PFE แบบเบ็ดเสร็จ หรือการจ้างห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรองนั้นเป็นอุปสรรคต่อการทดสอบวัสดุกรองเห็นได้ชัดว่าจำเป็นต้องมีระบบทดสอบ PFE แบบ "กำหนดเอง"อย่างไรก็ตาม มาตรฐานต่างๆ ที่กำหนดการทดสอบ PFE ของหน้ากาก (ทางการแพทย์) (เช่น ASTM International, NIOSH) มีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านความชัดเจนของโปรโตคอลและแนวทางปฏิบัติมีการอธิบายการพัฒนาระบบ PFE "ภายใน" และวิธีการทดสอบหน้ากากในบริบทของมาตรฐานหน้ากากอนามัยในปัจจุบันตามมาตรฐานสากลของ ASTM ระบบใช้ละอองน้ำยางข้น (ขนาดปกติ 0.1 µm) และใช้เครื่องวิเคราะห์อนุภาคด้วยเลเซอร์เพื่อวัดความเข้มข้นของอนุภาคต้นน้ำและปลายน้ำของวัสดุหน้ากากทำการวัด PFE บนผ้าทั่วไปและหน้ากากทางการแพทย์ต่างๆวิธีการที่อธิบายไว้ในงานนี้เป็นไปตามมาตรฐานปัจจุบันของการทดสอบ PFE ในขณะที่ให้ความยืดหยุ่นในการปรับให้เข้ากับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปและเงื่อนไขการกรอง
หน่วยงานด้านสาธารณสุขแนะนำให้ประชาชนทั่วไปสวมหน้ากากเพื่อจำกัดการแพร่กระจายของ COVID-19 และโรคที่เกิดจากละอองและละอองลอยอื่นๆ[1] ข้อกำหนดในการสวมหน้ากากมีประสิทธิภาพในการลดการแพร่เชื้อ และ [2] บ่งชี้ว่าหน้ากากชุมชนที่ยังไม่ทดลองมีการกรองที่มีประโยชน์อันที่จริง การศึกษาแบบจำลองได้แสดงให้เห็นว่าการลดลงของการแพร่กระจายของ COVID-19 นั้นเกือบจะเป็นสัดส่วนกับผลิตภัณฑ์รวมของประสิทธิผลของหน้ากากและอัตราการนำไปใช้ และมาตรการเหล่านี้และมาตรการตามประชากรอื่นๆ มีผลเสริมฤทธิ์กันในการลดการรักษาในโรงพยาบาลและการเสียชีวิต[3]
จำนวนหน้ากากอนามัยและเครื่องช่วยหายใจที่ผ่านการรับรองซึ่งจำเป็นสำหรับบุคลากรทางการแพทย์และเจ้าหน้าที่ส่วนหน้าอื่นๆ เพิ่มขึ้นอย่างมาก ก่อให้เกิดความท้าทายต่อการผลิตและซัพพลายเชนที่มีอยู่ และทำให้ผู้ผลิตรายใหม่ทดสอบและรับรองวัสดุใหม่ได้อย่างรวดเร็วองค์กรต่างๆ เช่น ASTM International และสถาบันความปลอดภัยและอาชีวอนามัยแห่งชาติ (NIOSH) ได้พัฒนาวิธีการทดสอบหน้ากากอนามัยที่ได้มาตรฐานอย่างไรก็ตาม รายละเอียดของวิธีการเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมาก และแต่ละองค์กรได้กำหนดมาตรฐานการปฏิบัติงานของตนเอง
ประสิทธิภาพการกรองอนุภาค (PFE) เป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของหน้ากาก เนื่องจากเกี่ยวข้องกับความสามารถในการกรองอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ละอองลอยหน้ากากอนามัยต้องเป็นไปตามเป้าหมาย PFE เฉพาะ[4-6] เพื่อให้ได้รับการรับรองจากหน่วยงานกำกับดูแล เช่น ASTM International หรือ NIOSHหน้ากากผ่าตัดได้รับการรับรองโดย ASTM และเครื่องช่วยหายใจ N95 ได้รับการรับรองโดย NIOSH แต่หน้ากากทั้งสองต้องผ่านค่าตัด PFE ที่เฉพาะเจาะจงตัวอย่างเช่น หน้ากาก N95 ต้องผ่านการกรอง 95% สำหรับละอองลอยที่ประกอบด้วยอนุภาคเกลือที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.075 µm ในขณะที่หน้ากากผ่าตัด ASTM 2100 L3 ต้องผ่านการกรอง 98% สำหรับละอองลอยที่ประกอบด้วยลูกบอลน้ำยางที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.1 µm .
สองตัวเลือกแรกมีราคาแพง (>$1,000 ต่อตัวอย่างทดสอบ ประมาณว่า >$150,000 สำหรับอุปกรณ์ที่ระบุ) และในช่วงการระบาดของ COVID-19 มีความล่าช้าเนื่องจากเวลาการส่งมอบที่ยาวนานและปัญหาด้านอุปทานค่าใช้จ่ายสูงในการทดสอบ PFE และสิทธิ์ในการเข้าถึงที่จำกัด ประกอบกับการขาดแนวทางที่สอดคล้องกันในการประเมินประสิทธิภาพที่ได้มาตรฐาน ทำให้นักวิจัยใช้ระบบการทดสอบที่ปรับแต่งได้หลากหลาย ซึ่งมักจะยึดตามมาตรฐานอย่างน้อยหนึ่งมาตรฐานสำหรับหน้ากากทางการแพทย์ที่ผ่านการรับรอง
อุปกรณ์ทดสอบวัสดุหน้ากากพิเศษที่พบในเอกสารที่มีอยู่มักจะคล้ายกับมาตรฐาน NIOSH หรือ ASTM F2100/F2299 ที่กล่าวถึงข้างต้นอย่างไรก็ตาม นักวิจัยมีโอกาสเลือกหรือเปลี่ยนการออกแบบหรือพารามิเตอร์การทำงานได้ตามความต้องการตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงความเร็วพื้นผิวของตัวอย่าง อัตราการไหลของอากาศ/ละออง ขนาดตัวอย่าง (พื้นที่) และองค์ประกอบของอนุภาคละอองลอยถูกนำมาใช้การศึกษาล่าสุดจำนวนมากได้ใช้อุปกรณ์ที่ปรับแต่งได้เองเพื่อประเมินวัสดุหน้ากากอุปกรณ์เหล่านี้ใช้ละอองโซเดียมคลอไรด์และใกล้เคียงกับมาตรฐาน NIOSHตัวอย่างเช่น Rogak และคณะ(2020), Zangmeister และคณะ(2020), Drunic และคณะ(2020) และ Joo และคณะ(2021) อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นทั้งหมดจะผลิตละอองโซเดียมคลอไรด์ (ขนาดต่างๆ) ซึ่งถูกทำให้เป็นกลางด้วยประจุไฟฟ้า เจือจางด้วยอากาศที่กรองแล้ว และส่งไปยังตัวอย่างวัสดุ โดยที่เครื่องตรวจวัดอนุภาคด้วยแสง อนุภาคควบแน่นของการวัดความเข้มข้นของอนุภาครวมต่างๆ [9, 14-16] คอนดาและคณะ(2020) และ Hao et al.(2020) มีการสร้างอุปกรณ์ที่คล้ายกัน แต่ไม่รวมตัวปรับประจุให้เป็นกลาง[8, 17] ในการศึกษาเหล่านี้ ความเร็วลมในตัวอย่างแปรผันระหว่าง 1 ถึง 90 L min-1 (บางครั้งเพื่อตรวจจับผลกระทบของการไหล/ความเร็ว);อย่างไรก็ตามความเร็วพื้นผิวอยู่ระหว่าง 5.3 ถึง 25 ซม. s-1 ระหว่างดูเหมือนว่าขนาดตัวอย่างจะแตกต่างกันระหว่าง ≈3.4 ถึง 59 cm2
ในทางตรงกันข้าม มีการศึกษาเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับการประเมินวัสดุหน้ากากผ่านอุปกรณ์ที่ใช้ละอองน้ำยางข้น ซึ่งใกล้เคียงกับมาตรฐาน ASTM F2100/F2299ตัวอย่างเช่น Bagheri และคณะ(2021), Shakya และคณะ(2016) และ Lu et al.(2020) สร้างอุปกรณ์เพื่อผลิตสเปรย์น้ำยางโพลีสไตรีน ซึ่งถูกเจือจางและส่งไปยังตัวอย่างวัสดุ โดยใช้เครื่องวิเคราะห์อนุภาคต่างๆ หรือเครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคเคลื่อนที่ในการสแกนเพื่อวัดความเข้มข้นของอนุภาค[18-20] และลูและคณะตัวสร้างประจุเป็นกลางถูกใช้ที่ปลายน้ำของเครื่องกำเนิดละออง และผู้เขียนการศึกษาอีกสองชิ้นไม่ได้ทำอัตราการไหลของอากาศในตัวอย่างยังเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย—แต่อยู่ภายในขอบเขตของมาตรฐาน F2299—จาก ≈7.3 ถึง 19 L นาที-1ความเร็วผิวอากาศที่ศึกษาโดย Bagheri et al.คือ 2 และ 10 ซม. s–1 (อยู่ในช่วงมาตรฐาน) ตามลำดับและ Lu et al. และ Shakya et al.[18-20] นอกจากนี้ ผู้แต่งและ Shakya et al.ทดสอบลูกยางลาเท็กซ์ขนาดต่างๆ (เช่น โดยรวม 20 นาโนเมตร ถึง 2500 นาโนเมตร)และลูและคณะอย่างน้อยในการทดสอบบางรายการ พวกเขาใช้ขนาดอนุภาค 100 นาโนเมตร (0.1 µm) ที่ระบุ
ในงานนี้ เราอธิบายความท้าทายที่เราเผชิญในการสร้างอุปกรณ์ PFE ที่สอดคล้องกับมาตรฐาน ASTM F2100/F2299 ที่มีอยู่ให้มากที่สุดในบรรดามาตรฐานที่ได้รับความนิยมหลัก (เช่น NIOSH และ ASTM F2100/F2299) มาตรฐาน ASTM ให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นในพารามิเตอร์ (เช่น อัตราการไหลของอากาศ) เพื่อศึกษาประสิทธิภาพการกรองที่อาจส่งผลต่อ PFE ในหน้ากากที่ไม่ใช่ทางการแพทย์อย่างไรก็ตาม ตามที่เราแสดงให้เห็น ความยืดหยุ่นนี้ให้ระดับความซับซ้อนเพิ่มเติมในการออกแบบอุปกรณ์ดังกล่าว
ซื้อสารเคมีจาก Sigma-Aldrich และใช้ตามที่เป็นอยู่โมโนเมอร์สไตรีน (≥99%) ถูกทำให้บริสุทธิ์ผ่านคอลัมน์แก้วที่มีสารกำจัดสารยับยั้งอะลูมินา ซึ่งออกแบบมาเพื่อกำจัดเติร์ต-บิวทิลคาเทคอลน้ำปราศจากไอออน (≈0.037 µS cm–1) มาจากระบบทำน้ำให้บริสุทธิ์ของซาร์โทเรียส Arium
ผ้าฝ้ายธรรมดา 100% (Muslin CT) ที่มีน้ำหนักเล็กน้อย 147 gm-2 มาจาก Veratex Lining Ltd., QC และส่วนผสมของไม้ไผ่/แปนเด็กซ์มาจาก D. Zinman Textiles, QCวัสดุหน้ากากอื่นๆ ของผู้สมัครมาจากร้านค้าปลีกผ้าในท้องถิ่น (Fabricland)วัสดุเหล่านี้รวมถึงผ้าทอผ้าฝ้าย 100% สองแบบ (มีลายพิมพ์ต่างกัน) ผ้าถักผ้าฝ้าย/สแปนเด็กซ์ 1 ชิ้น ผ้าถักผ้าฝ้าย/โพลีเอสเตอร์ 2 ชิ้น (ผ้า "อเนกประสงค์" และ "ผ้าสเวตเตอร์") และผ้าฝ้ายไม่ทอ/โพลีโพรพิลีนผสม วัสดุตีผ้าฝ้ายตารางที่ 1 แสดงสรุปคุณสมบัติของผ้าที่ทราบในการเทียบมาตรฐานอุปกรณ์ใหม่นั้น หน้ากากอนามัยทางการแพทย์ที่ผ่านการรับรองได้มาจากโรงพยาบาลในท้องถิ่น ซึ่งรวมถึงหน้ากากทางการแพทย์ที่ผ่านการรับรอง ASTM 2100 ระดับ 2 (L2) และระดับ 3 (L3; Halyard) และเครื่องช่วยหายใจ N95 (3M)
ตัวอย่างทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 85 มม. ถูกตัดจากวัสดุแต่ละชนิดที่จะทำการทดสอบไม่มีการดัดแปลงเพิ่มเติมกับวัสดุ (เช่น การซัก)หนีบห่วงผ้าในที่ยึดตัวอย่างของอุปกรณ์ PFE สำหรับการทดสอบเส้นผ่านศูนย์กลางจริงของตัวอย่างที่สัมผัสกับการไหลของอากาศคือ 73 มม. และวัสดุที่เหลือจะถูกใช้เพื่อยึดตัวอย่างอย่างแน่นหนาสำหรับหน้ากากที่ประกอบแล้ว ด้านที่สัมผัสใบหน้าอยู่ห่างจากละอองลอยของวัสดุที่ให้มา
การสังเคราะห์ทรงกลมน้ำยางข้นที่มีประจุลบด้วยประจุลบแบบโมโนดิสเพอร์สโดยพอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชันตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ในการศึกษาก่อนหน้านี้ ปฏิกิริยาได้ดำเนินการในโหมดกึ่งแบทช์ของการอดอาหารโมโนเมอร์[21, 22] เติมน้ำปราศจากไอออน (160 มล.) ลงในขวดก้นกลมสามคอขนาด 250 มล. และใส่ลงในอ่างน้ำมันกวนจากนั้นขวดฟลาสค์ถูกกำจัดด้วยไนโตรเจนและสไตรีนโมโนเมอร์ที่ปราศจากสารยับยั้ง (2.1 มล.) ถูกเติมไปยังฟลาสค์ที่ถูกกวนและกวนหลังจาก 10 นาทีที่ 70 °C ให้เติมโซเดียม ลอริล ซัลเฟต (0.235 ก.) ที่ละลายในน้ำปราศจากไอออน (8 มล.)หลังจากนั้นอีก 5 นาที โพแทสเซียม เพอร์ซัลเฟต (0.5 กรัม) ถูกละลายในน้ำปราศจากไอออน (2 มล.) ถูกเติมในอีก 5 ชั่วโมงข้างหน้า ให้ใช้ปั๊มหลอดฉีดยาเพื่อฉีดสไตรีนที่ปราศจากสารยับยั้งเพิ่มเติม (20 มล.) ลงในขวดอย่างช้าๆ ในอัตรา 66 ไมโครลิตร min-1หลังจากเติมสไตรีนเสร็จแล้ว ปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปอีก 17 ชั่วโมงจากนั้นเปิดขวดและทำให้เย็นลงเพื่อยุติการเกิดพอลิเมอไรเซชันอิมัลชันน้ำยางโพลีสไตรีนสังเคราะห์ถูกฟอกด้วยน้ำปราศจากไอออนในท่อฟอกไต SnakeSkin (ตัดน้ำหนักโมเลกุล 3500 Da) เป็นเวลาห้าวัน และเปลี่ยนน้ำปราศจากไอออนทุกวันนำอิมัลชันออกจากท่อฟอกไตและเก็บไว้ในตู้เย็นที่อุณหภูมิ 4°C จนกว่าจะใช้งาน
การกระเจิงแสงแบบไดนามิก (DLS) ดำเนินการด้วยเครื่องวิเคราะห์ Brookhaven 90Plus ความยาวคลื่นเลเซอร์คือ 659 นาโนเมตร และมุมของเครื่องตรวจจับคือ 90°ใช้ซอฟต์แวร์โซลูชันอนุภาคในตัว (v2.6; Brookhaven Instruments Corporation) เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลสารแขวนลอยน้ำยางจะเจือจางด้วยน้ำปราศจากไอออนจนกว่าจำนวนอนุภาคจะอยู่ที่ประมาณ 500,000 ครั้งต่อวินาที (kcps)ขนาดอนุภาคถูกกำหนดเป็น 125 ± 3 นาโนเมตร และโพลิดิสเพอร์ซิตี้ที่รายงานคือ 0.289 ± 0.006
เครื่องวิเคราะห์ศักยภาพซีตาซีตาพลัส (Brookhaven Instruments Corp.) ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ค่าที่วัดได้ของศักย์ซีตาในโหมดการกระเจิงแสงของการวิเคราะห์เฟสตัวอย่างถูกจัดเตรียมโดยการเพิ่มส่วนของน้ำยางลงในสารละลาย NaCl ขนาด 5 × 10-3m และเจือจางสารแขวนลอยน้ำยางอีกครั้งเพื่อให้ได้จำนวนอนุภาคประมาณ 500 kcpsดำเนินการวัดซ้ำห้าครั้ง (แต่ละอันประกอบด้วย 30 รอบ) ส่งผลให้ค่าศักยภาพซีตาเป็น -55.1 ± 2.8 mV โดยที่ข้อผิดพลาดแสดงถึงค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของค่าเฉลี่ยของการทำซ้ำห้าครั้งการวัดเหล่านี้บ่งชี้ว่าอนุภาคมีประจุลบและก่อให้เกิดสารแขวนลอยที่เสถียรข้อมูลศักยภาพของ DLS และ zeta สามารถพบได้ในตารางข้อมูลสนับสนุน S2 และ S3
เราสร้างอุปกรณ์ตามมาตรฐาน ASTM International ตามที่อธิบายไว้ด้านล่างและแสดงไว้ในรูปที่ 1 Blaustein Atomization Module (BLAM; CHTech) แบบหัวฉีดเดี่ยวใช้ในการผลิตละอองลอยที่มีลูกยางกระแสอากาศที่กรองแล้ว (ได้จากตัวกรอง GE Healthcare Whatman 0.3 µm HEPA-CAP และ 0.2 µm POLYCAP TF ในซีรีส์) เข้าสู่เครื่องกำเนิดละอองลอยที่ความดัน 20 psi (6.9 kPa) และทำให้เป็นละอองส่วนหนึ่งของ 5 มก. L-1 ระบบกันสะเทือน ของเหลวจะถูกฉีดเข้าไปในลูกยางของอุปกรณ์ผ่านปั๊มหลอดฉีดยา (KD Scientific Model 100)อนุภาคเปียกที่เป็นละอองจะแห้งโดยผ่านกระแสอากาศออกจากเครื่องกำเนิดละอองลอยผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตัวแลกเปลี่ยนความร้อนประกอบด้วยท่อเหล็กกล้าไร้สนิมขนาด 5/8” ที่มีขดลวดความร้อนยาว 8 ฟุตเอาต์พุต 216 W (BriskHeat)ตามแป้นหมุนที่ปรับได้ เอาต์พุตฮีตเตอร์ถูกตั้งค่าเป็น 40% ของค่าสูงสุดของอุปกรณ์ (≈86 W)ทำให้เกิดอุณหภูมิผนังภายนอกเฉลี่ย 112 °C (ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน ≈1 °C) ซึ่งกำหนดโดยการวัดเทอร์โมคัปเปิลแบบติดตั้งบนพื้นผิว (Taylor USA)รูปที่ S4 ในข้อมูลสนับสนุนสรุปประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อน
จากนั้น อนุภาคที่ถูกทำให้แห้งเป็นละอองจะถูกผสมกับอากาศกรองในปริมาณที่มากขึ้น เพื่อให้ได้อัตราการไหลของอากาศรวม 28.3 ลิตรต่อนาที (นั่นคือ 1 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที)ค่านี้ถูกเลือกเนื่องจากเป็นอัตราการไหลที่แม่นยำของเครื่องมือวิเคราะห์อนุภาคด้วยเลเซอร์ที่สุ่มตัวอย่างที่ปลายน้ำของระบบกระแสลมที่มีอนุภาคน้ำยางถูกส่งไปยังหนึ่งในสองห้องแนวตั้งที่เหมือนกัน (เช่น ท่อสแตนเลสที่มีผนังเรียบ): ห้อง "ควบคุม" ที่ไม่มีวัสดุปิดบัง หรือช่อง "ตัวอย่าง" แบบตัดเป็นวงกลมแบบถอดได้ ที่จับตัวอย่าง ถูกแทรกนอกผ้าเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของช่องเก็บตัวอย่างทั้งสองคือ 73 มม. ซึ่งตรงกับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวจับตัวอย่างตัวยึดตัวอย่างใช้วงแหวนแบบร่องและสลักเกลียวแบบฝังเพื่อปิดผนึกวัสดุหน้ากากให้แน่น จากนั้นใส่โครงยึดที่ถอดออกได้เข้าไปในช่องว่างของช่องเก็บตัวอย่าง และปิดผนึกอย่างแน่นหนาในอุปกรณ์ด้วยปะเก็นยางและที่หนีบ (รูปที่ S2 ข้อมูลสนับสนุน)
เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวอย่างผ้าที่สัมผัสกับกระแสลมคือ 73 มม. (พื้นที่ = 41.9 ซม. 2)มันถูกปิดผนึกในห้องตัวอย่างระหว่างการทดสอบการไหลของอากาศที่ออกจาก "ห้องควบคุม" หรือ "ห้องตัวอย่าง" จะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องวิเคราะห์อนุภาคด้วยเลเซอร์ (ระบบการวัดอนุภาค LASAIR III 110) เพื่อวัดจำนวนและความเข้มข้นของอนุภาคน้ำยางเครื่องวิเคราะห์อนุภาคระบุขีดจำกัดล่างและบนของความเข้มข้นของอนุภาค ตามลำดับ 2 × 10-4 และ ≈34 อนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุต (7 และ ≈950 000 อนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุต)สำหรับการวัดความเข้มข้นของอนุภาคน้ำยางข้น รายงานความเข้มข้นของอนุภาคใน "กล่อง" ที่มีขีดจำกัดล่างและขีดจำกัดบนที่ 0.10–0.15 µm ซึ่งสอดคล้องกับขนาดโดยประมาณของอนุภาคน้ำยางข้นในละอองลอยอย่างไรก็ตาม สามารถใช้ขนาดถังอื่นๆ ได้ และสามารถประเมินถังขยะหลายถังพร้อมกันได้ โดยมีขนาดอนุภาคสูงสุด 5 µm
อุปกรณ์นี้ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่นๆ เช่น อุปกรณ์สำหรับล้างห้องเพาะเลี้ยงและเครื่องวิเคราะห์อนุภาคด้วยอากาศที่กรองแล้วสะอาด เช่นเดียวกับวาล์วและเครื่องมือที่จำเป็น (รูปที่ 1)แผนภาพการเดินท่อและเครื่องมือวัดทั้งหมดแสดงในรูปที่ S1 และตาราง S1 ของข้อมูลสนับสนุน
ระหว่างการทดลอง การฉีดสารแขวนลอยน้ำยางเข้าไปในเครื่องผลิตละอองลอยที่อัตราการไหล ≈60 ถึง 100 µL min-1 เพื่อรักษาระดับอนุภาคที่เสถียร ประมาณ 14-25 อนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (400 000 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) 700 000 อนุภาค)ฟุต) ในถังขยะขนาด 0.10–0.15 µmช่วงอัตราการไหลนี้จำเป็นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตพบในความเข้มข้นของอนุภาคน้ำยางที่ปลายน้ำของเครื่องกำเนิดละออง ซึ่งอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาณของสารแขวนลอยน้ำยางที่จับได้โดยกับดักของเหลวของเครื่องกำเนิดละออง
ในการวัด PFE ของตัวอย่างผ้า ละอองน้ำยางจะถูกถ่ายโอนผ่านห้องควบคุมก่อน จากนั้นจึงส่งไปยังเครื่องวิเคราะห์อนุภาควัดความเข้มข้นของอนุภาคสามตัวอย่างต่อเนื่องอย่างรวดเร็ว โดยแต่ละครั้งใช้เวลาหนึ่งนาทีเครื่องวิเคราะห์อนุภาคจะรายงานความเข้มข้นเฉลี่ยของเวลาของอนุภาคในระหว่างการวิเคราะห์ กล่าวคือ ความเข้มข้นเฉลี่ยของอนุภาคในหนึ่งนาที (28.3 ลิตร) ของตัวอย่างหลังจากใช้การวัดพื้นฐานเหล่านี้เพื่อสร้างจำนวนอนุภาคและอัตราการไหลของก๊าซที่เสถียรแล้ว ละอองลอยจะถูกถ่ายโอนไปยังห้องเก็บตัวอย่างเมื่อระบบถึงสมดุล (โดยปกติ 60-90 วินาที) การวัดอีกสามนาทีติดต่อกันจะดำเนินการอย่างรวดเร็วการวัดตัวอย่างเหล่านี้แสดงถึงความเข้มข้นของอนุภาคที่ผ่านตัวอย่างผ้าต่อมา โดยแยกการไหลของละอองลอยกลับไปที่ห้องควบคุม การวัดความเข้มข้นของอนุภาคอีกสามตัวถูกนำออกจากห้องควบคุมเพื่อตรวจสอบว่าความเข้มข้นของอนุภาคต้นน้ำไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมากในระหว่างกระบวนการประเมินตัวอย่างทั้งหมดเนื่องจากการออกแบบของสองห้องเพาะเลี้ยงเหมือนกัน—ยกเว้นว่าห้องตัวอย่างสามารถรองรับตัวจับตัวอย่าง—สภาพการไหลในห้องนั้นสามารถพิจารณาได้เหมือนกัน ดังนั้นความเข้มข้นของอนุภาคในก๊าซที่ออกจากห้องควบคุมและห้องตัวอย่าง สามารถเปรียบเทียบได้
เพื่อรักษาอายุการใช้งานของเครื่องวิเคราะห์อนุภาคและกำจัดอนุภาคละอองในระบบระหว่างการทดสอบแต่ละครั้ง ให้ใช้แอร์เจ็ทที่กรองด้วย HEPA เพื่อทำความสะอาดเครื่องวิเคราะห์อนุภาคหลังการวัดแต่ละครั้ง และทำความสะอาดห้องเก็บตัวอย่างก่อนเปลี่ยนตัวอย่างโปรดดูรูปที่ S1 ในข้อมูลสนับสนุนสำหรับแผนผังของระบบล้างอากาศบนอุปกรณ์ PFE
การคำนวณนี้แสดงถึงการวัด PFE "ซ้ำ" ครั้งเดียวสำหรับตัวอย่างวัสดุเดียว และเทียบเท่ากับการคำนวณ PFE ใน ASTM F2299 (สมการ (2))
วัสดุที่ระบุไว้ใน §2.1 ถูกท้าทายด้วยละอองน้ำยางโดยใช้อุปกรณ์ PFE ที่อธิบายไว้ใน §2.3 เพื่อพิจารณาความเหมาะสมของวัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุหน้ากากรูปที่ 2 แสดงการอ่านที่ได้จากเครื่องวิเคราะห์ความเข้มข้นของอนุภาค และวัดค่า PFE ของผ้าสเวตเตอร์และวัสดุตีลูกบอลในเวลาเดียวกันทำการวิเคราะห์ตัวอย่างสามตัวอย่างสำหรับวัสดุทั้งหมดสองชนิดและการทำซ้ำหกครั้งเห็นได้ชัดว่าการอ่านครั้งแรกในชุดการอ่านสามค่า (แรเงาด้วยสีที่อ่อนกว่า) มักจะแตกต่างจากการอ่านอีกสองครั้งตัวอย่างเช่น การอ่านครั้งแรกแตกต่างจากค่าเฉลี่ยของการอ่านอีกสองค่าในสามเท่าของ 12-15 ในรูปที่ 2 มากกว่า 5%การสังเกตนี้เกี่ยวข้องกับความสมดุลของอากาศที่ประกอบด้วยละอองลอยที่ไหลผ่านเครื่องวิเคราะห์อนุภาคตามที่กล่าวไว้ใน วัสดุและวิธีการ การอ่านค่าสมดุล (การควบคุมที่สองและสามและการอ่านตัวอย่าง) ถูกใช้เพื่อคำนวณ PFE ในเฉดสีน้ำเงินเข้มและสีแดงในรูปที่ 2 ตามลำดับโดยรวมแล้ว ค่า PFE เฉลี่ยของการทำซ้ำทั้งสามครั้งคือ 78% ± 2% สำหรับผ้าสเวตเตอร์ และ 74% ± 2% สำหรับวัสดุตีลูกฝ้าย
เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของระบบ หน้ากากทางการแพทย์ที่ผ่านการรับรอง ASTM 2100 (L2, L3) และเครื่องช่วยหายใจ NIOSH (N95) ได้รับการประเมินด้วยมาตรฐาน ASTM F2100 กำหนดประสิทธิภาพการกรองอนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอนของอนุภาค 0.1 µm ของมาสก์ระดับ 2 และระดับ 3 ไว้ที่ ≥ 95% และ ≥ 98% ตามลำดับ[5] ในทำนองเดียวกัน เครื่องช่วยหายใจ N95 ที่ผ่านการรับรอง NIOSH จะต้องแสดงประสิทธิภาพการกรองที่≥95% สำหรับอนุภาคนาโน NaCl ที่ถูกทำให้เป็นละอองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.075 µm[24] Rengasamy et al.ตามรายงาน หน้ากาก N95 ที่คล้ายกันแสดงค่า PFE ที่ 99.84%–99.98% [25] Zangmeister et alตามรายงาน N95 ของพวกเขาสร้างประสิทธิภาพการกรองขั้นต่ำที่มากกว่า 99.9% [14] ในขณะที่ Joo และคณะตามรายงาน มาสก์ 3M N95 ผลิต 99% ของ PFE (อนุภาค 300 นาโนเมตร) [16] และ Hao et alN95 PFE ที่รายงาน (อนุภาค 300 นาโนเมตร) คือ 94.4%[17] สำหรับหน้ากาก N95 สองชิ้นที่ถูกท้าทายโดย Shakya et al.ด้วยลูกบอลยางขนาด 0.1 µm PFE ลดลงประมาณ 80% ถึง 100%[19] เมื่อ Lu et al.การใช้ลูกบอลยางขนาดเท่ากันในการประเมินหน้ากาก N95 ค่า PFE เฉลี่ยอยู่ที่ 93.8%[20] ผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้อุปกรณ์ที่อธิบายไว้ในงานนี้แสดงให้เห็นว่า PFE ของหน้ากาก N95 คือ 99.2 ± 0.1% ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่
หน้ากากอนามัยยังได้รับการทดสอบในการศึกษาหลายชิ้นหน้ากากอนามัยของ Hao et al.แสดง PFE (อนุภาค 300 นาโนเมตร) ที่ 73.4% [17] ในขณะที่หน้ากากผ่าตัดสามชิ้นที่ทดสอบโดย Drewnick et alPFE ผลิตได้ตั้งแต่ประมาณ 60% ถึงเกือบ 100%[15] (หน้ากากรุ่นหลังอาจเป็นรุ่นที่ผ่านการรับรอง) อย่างไรก็ตาม Zangmeister et al.ตามรายงาน ประสิทธิภาพการกรองขั้นต่ำของหน้ากากผ่าตัดทั้งสองแบบที่ทดสอบนั้นสูงกว่า 30% เพียงเล็กน้อยเท่านั้น [14] ต่ำกว่าหน้ากากผ่าตัดที่ทดสอบในการศึกษานี้มากในทำนองเดียวกัน "หน้ากากผ่าตัดสีน้ำเงิน" ที่ทดสอบโดย Joo et alพิสูจน์ว่า PFE (อนุภาค 300 นาโนเมตร) มีเพียง 22%[16] Shakya และคณะรายงานว่า PFE ของหน้ากากผ่าตัด (ใช้อนุภาคน้ำยาง 0.1 µm) ลดลงประมาณ 60-80%[19] หน้ากากผ่าตัดของ Lu et al. ใช้ลูกบอลยางขนาดเท่ากันให้ผลลัพธ์ PFE เฉลี่ย 80.2%[20] ในการเปรียบเทียบ PFE ของหน้ากาก L2 ของเราคือ 94.2 ± 0.6% และ PFE ของหน้ากาก L3 คือ 94.9 ± 0.3%แม้ว่า PFEs เหล่านี้จะเกิน PFEs มากมายในวรรณคดี แต่เราต้องสังเกตว่าแทบไม่มีระดับการรับรองที่กล่าวถึงในการวิจัยก่อนหน้านี้ และหน้ากากผ่าตัดของเราได้รับการรับรองระดับ 2 และระดับ 3
ในลักษณะเดียวกับที่วิเคราะห์วัสดุมาสก์ของผู้สมัครในรูปที่ 2 ได้ทำการทดสอบสามครั้งกับวัสดุอีกหกชนิดเพื่อตรวจสอบความเหมาะสมของวัสดุในหน้ากากและสาธิตการทำงานของอุปกรณ์ PFEรูปที่ 3 แสดงค่า PFE ของวัสดุที่ทดสอบทั้งหมดและเปรียบเทียบกับค่า PFE ที่ได้จากการประเมินวัสดุหน้ากาก L3 และ N95 ที่ผ่านการรับรองจากวัสดุหน้ากาก/หน้ากากผู้สมัคร 11 ชิ้นที่เลือกใช้สำหรับงานนี้ จะเห็นประสิทธิภาพของ PFE ที่หลากหลายตั้งแต่ ≈10% ถึงใกล้ถึง 100% สอดคล้องกับการศึกษาอื่นๆ [8, 9, 15] และตัวระบุอุตสาหกรรม ไม่มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่าง PFE และ PFEตัวอย่างเช่น วัสดุที่มีองค์ประกอบคล้ายกัน (ตัวอย่างผ้าฝ้าย 100% และผ้าฝ้ายมัสลิน 2 ตัวอย่าง) มีค่า PFE ที่แตกต่างกันมาก (14%, 54% และ 13% ตามลำดับ)แต่สิ่งสำคัญคือประสิทธิภาพต่ำ (เช่น ผ้าฝ้าย 100% A; PFE ≈ 14%) ประสิทธิภาพปานกลาง (เช่น ผ้าฝ้าย 70%/30% ผสมโพลีเอสเตอร์ PFE ≈ 49%) และประสิทธิภาพสูง (เช่น ผ้าสเวตเตอร์ PFE ≈ 78%) สามารถระบุผ้าได้อย่างชัดเจนโดยใช้อุปกรณ์ PFE ที่อธิบายไว้ในงานนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ้าสเวตเตอร์และวัสดุสำหรับตีลูกฝ้ายนั้นทำงานได้ดีมาก โดยมี PFE ตั้งแต่ 70% ถึง 80%สามารถระบุและวิเคราะห์วัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงดังกล่าวได้อย่างละเอียดเพื่อทำความเข้าใจลักษณะเฉพาะที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการกรองที่สูงอย่างไรก็ตาม เราต้องการเตือนว่าเนื่องจากผลลัพธ์ PFE ของวัสดุที่มีคำอธิบายอุตสาหกรรมที่คล้ายกัน (เช่น วัสดุผ้าฝ้าย) แตกต่างกันมาก ข้อมูลเหล่านี้ไม่ได้ระบุว่าวัสดุใดมีประโยชน์อย่างกว้างขวางสำหรับหน้ากากผ้า และเราไม่ได้ตั้งใจจะสรุปคุณสมบัติ- หมวดหมู่วัสดุความสัมพันธ์ด้านประสิทธิภาพเรามีตัวอย่างเฉพาะเพื่อสาธิตการสอบเทียบ แสดงว่าการวัดครอบคลุมช่วงของประสิทธิภาพการกรองที่เป็นไปได้ทั้งหมด และให้ขนาดของข้อผิดพลาดในการวัด
เราได้รับผลลัพธ์ PFE เหล่านี้เพื่อพิสูจน์ว่าอุปกรณ์ของเรามีความสามารถในการวัดที่หลากหลาย มีข้อผิดพลาดต่ำ และเปรียบเทียบกับข้อมูลที่ได้รับในเอกสารประกอบตัวอย่างเช่น Zangmeister และคณะรายงานผล PFE ของผ้าฝ้ายทอหลายแบบ (เช่น “Cotton 1-11”) (89 ถึง 812 เส้นต่อนิ้ว)ในวัสดุ 9 จาก 11 ชนิด "ประสิทธิภาพการกรองขั้นต่ำ" มีตั้งแต่ 0% ถึง 25%;PFE ของอีกสองวัสดุประมาณ 32%[14] ในทำนองเดียวกัน Konda et al.รายงานข้อมูล PFE ของผ้าฝ้ายสองผืน (80 และ 600 TPI; 153 และ 152 gm-2)PFE มีตั้งแต่ 7% ถึง 36% และ 65% ถึง 85% ตามลำดับในการศึกษา Drewnick et al. ในผ้าฝ้ายชั้นเดียว (เช่น ผ้าฝ้าย ผ้าฝ้ายถัก โมลตัน; 139–265 TPI; 80–140 gm–2) ช่วงของวัสดุ PFE อยู่ที่ประมาณ 10% ถึง 30%ในการศึกษา Joo et al. วัสดุผ้าฝ้าย 100% มี PFE 8% (อนุภาค 300 นาโนเมตร)Bagheri และคณะใช้อนุภาคโพลีสไตรีนลาเท็กซ์ 0.3 ถึง 0.5 µmPFE ของวัสดุฝ้ายหกชนิด (120-200 TPI; 136-237 gm-2) ถูกวัดตั้งแต่ 0% ถึง 20%[18] ดังนั้น วัสดุเหล่านี้ส่วนใหญ่จึงสอดคล้องกับผลลัพธ์ PFE ของผ้าฝ้ายสามชนิดของเรา (เช่น Veratex Muslin CT, Fabric Store Cottons A และ B) และประสิทธิภาพการกรองเฉลี่ยอยู่ที่ 13%, 14% และตามลำดับ54%.ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่ามีความแตกต่างกันมากระหว่างวัสดุฝ้ายและคุณสมบัติของวัสดุที่นำไปสู่ PFE สูง (เช่น ฝ้าย 600 TPI ของ Konda et al.; ฝ้าย B ของเรา) ไม่ค่อยเข้าใจ
เมื่อทำการเปรียบเทียบเหล่านี้ เรายอมรับว่าเป็นการยากที่จะหาวัสดุที่ทดสอบในวรรณกรรมที่มีลักษณะเหมือนกัน (เช่น องค์ประกอบของวัสดุ การทอและการถัก TPI น้ำหนัก ฯลฯ) กับวัสดุที่ทดสอบในการศึกษานี้ และ จึงไม่สามารถเปรียบเทียบได้โดยตรงนอกจากนี้ ความแตกต่างในเครื่องมือที่ผู้เขียนใช้และการขาดมาตรฐานทำให้ยากต่อการเปรียบเทียบที่ดีอย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าความสัมพันธ์ด้านประสิทธิภาพ/ประสิทธิภาพของเนื้อผ้าธรรมดานั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจกันดีนักวัสดุจะได้รับการทดสอบเพิ่มเติมด้วยอุปกรณ์ที่ได้มาตรฐาน ยืดหยุ่น และเชื่อถือได้ (เช่น อุปกรณ์ที่อธิบายไว้ในงานนี้) เพื่อกำหนดความสัมพันธ์เหล่านี้
แม้ว่าจะมีข้อผิดพลาดทางสถิติทั้งหมด (0-5%) ระหว่างการทำซ้ำครั้งเดียว (0-4%) และตัวอย่างที่วิเคราะห์เป็นสามเท่า แต่อุปกรณ์ที่เสนอในงานนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการทดสอบ PFE ของวัสดุต่างๆผ้าธรรมดาถึงหน้ากากอนามัยที่ผ่านการรับรองเป็นที่น่าสังเกตว่าในบรรดาวัสดุ 11 ชนิดที่ทดสอบสำหรับรูปที่ 3 ข้อผิดพลาดในการแพร่กระจาย σprop เกินค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานระหว่างการวัด PFE ของตัวอย่างเดียว นั่นคือ σsd ของ 9 จาก 11 วัสดุข้อยกเว้นสองข้อนี้เกิดขึ้นในค่า PFE ที่สูงมาก (เช่น หน้ากาก L2 และ L3)แม้ว่าผลลัพธ์ที่นำเสนอโดย Rengasamy et al.แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างระหว่างตัวอย่างที่ทำซ้ำนั้นมีขนาดเล็ก (กล่าวคือ การทำซ้ำห้าครั้ง <0.29%) [25] พวกเขาศึกษาวัสดุที่มีคุณสมบัติการกรองที่เป็นที่รู้จักสูงซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการผลิตหน้ากาก: ตัววัสดุเองอาจมีความสม่ำเสมอมากกว่า และการทดสอบก็เป็นสิ่งนี้ด้วย พื้นที่ของช่วง PFE อาจมีความสอดคล้องกันมากขึ้นโดยรวมแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้อุปกรณ์ของเรานั้นสอดคล้องกับข้อมูล PFE และมาตรฐานการรับรองที่ได้รับจากนักวิจัยคนอื่นๆ
แม้ว่า PFE จะเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการวัดประสิทธิภาพของหน้ากาก แต่ ณ จุดนี้ เราต้องเตือนผู้อ่านว่าการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมของวัสดุหน้ากากในอนาคตจะต้องพิจารณาปัจจัยอื่นๆ กล่าวคือ การซึมผ่านของวัสดุ (นั่นคือ ผ่านการทดสอบแรงดันตกหรือความแตกต่างของแรงดัน ).มีข้อบังคับใน ASTM F2100 และ F3502การระบายอากาศที่ยอมรับได้มีความสำคัญต่อความสบายของผู้สวมใส่ และป้องกันการรั่วไหลของขอบหน้ากากระหว่างการหายใจเนื่องจาก PFE และการซึมผ่านของอากาศของวัสดุทั่วไปหลายชนิดมักจะเป็นสัดส่วนผกผัน จึงควรทำการวัดแรงดันตกคร่อมร่วมกับการวัด PFE เพื่อประเมินประสิทธิภาพของวัสดุหน้ากากอย่างเต็มที่ยิ่งขึ้น
เราขอแนะนำว่าแนวทางสำหรับการสร้างอุปกรณ์ PFE ตาม ASTM F2299 มีความจำเป็นสำหรับการปรับปรุงมาตรฐานอย่างต่อเนื่อง การสร้างข้อมูลการวิจัยที่สามารถเปรียบเทียบระหว่างห้องปฏิบัติการวิจัย และการปรับปรุงการกรองละอองลอยอาศัยมาตรฐาน NIOSH (หรือ F3502) เท่านั้น ซึ่งระบุอุปกรณ์เดียว (TSI 8130A) และจำกัดนักวิจัยไม่ให้ซื้ออุปกรณ์แบบเบ็ดเสร็จ (เช่น ระบบ TSI)การพึ่งพาระบบที่ได้มาตรฐาน เช่น TSI 8130A เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรับรองมาตรฐานในปัจจุบัน แต่จำกัดการพัฒนาหน้ากาก เครื่องช่วยหายใจ และเทคโนโลยีการกรองละอองลอยอื่นๆ ที่ขัดต่อความก้าวหน้าของการวิจัยเป็นที่น่าสังเกตว่ามาตรฐาน NIOSH ได้รับการพัฒนาเป็นวิธีการทดสอบเครื่องช่วยหายใจภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นเมื่อจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์นี้ แต่ในทางกลับกัน หน้ากากผ่าตัดได้รับการทดสอบโดยวิธี ASTM F2100/F2299รูปร่างและรูปแบบของหน้ากากชุมชนเป็นเหมือนหน้ากากผ่าตัด ซึ่งไม่ได้หมายความว่ามีประสิทธิภาพการกรองที่ดีเยี่ยมเช่น N95หากยังคงประเมินหน้ากากผ่าตัดตามมาตรฐาน ASTM F2100/F2299 ผ้าธรรมดาควรได้รับการวิเคราะห์โดยใช้วิธีการที่ใกล้เคียงกับ ASTM F2100/F2299นอกจากนี้ ASTM F2299 ยังให้ความยืดหยุ่นเพิ่มเติมในพารามิเตอร์ต่างๆ (เช่น อัตราการไหลของอากาศและความเร็วพื้นผิวในการศึกษาประสิทธิภาพการกรอง) ซึ่งอาจทำให้เป็นมาตรฐานที่เหนือกว่าโดยประมาณในสภาพแวดล้อมการวิจัย
โพสต์เวลา: ส.ค.-30-2021