وبلاگ نانوپاک
ماسک نانو چیست و چه تفاوتی با سایر ماسک ها دارد؟
ماسک نانو چیست؟
قبل از پرداختن به سوال ماسک نانو چیست، مقدمه ای درباره مزیت های استفاده از نانوالیاف در ماسک ها خواهیم گفت. بیماری همه گیر ویروس کرونا، سندرم حاد تنفسی (SARS-CoV-2) در سال 2019، جوامع را به استفاده از پوشش صورت به عنوان گامی اجباری در جهت کاهش ابتلا به ویروس وا داشت. ماسک تنفسی به ویژه ماسک نانو به عنوان مانعی برای انتقال ذرات معلق موجود در هوای آلوده، بین کاربر و اطرافیانش عمل می کند. این امر سرعت تحقیق و توسعه بر روی ماسک های تنفسی را در سراسر جهان افزایش داده است.
در این مقاله در مورد استفاده از مواد نانویی و نسل جدید ماسک های تنفسی بحث شده است. توجه ویژه ای به ماسک های مبتنی بر مواد غشایی بر پایه نانوالیاف الکتروریسی شده به دلیل داشتن منافذ در اندازه نانو، وزن سبک و راندمان بالای فیلتراسیون صورت گرفته است. بنابراین، ماسک های حاوی لایه نانوالیاف از نظر تجاری قابل دوام و در بین محصولات مختلف موجود در بازار محبوب هستند. ادغام چارچوب آلی فلزی (MOFs) و کربن فعال راه هایی را برای غشاهای فیلتراسیون پیشرفته تر با عملکردهای مختلف، قابل استفاده مجدد و با ظرفیت بالا باز کرده است.
ساختار ماسک نانو چگونه است؟
یک ماسک از حداقل سه یا چند ساختار کامپوزیت لایه ای که از دو لایه بی بافت با جنس پلی استر یا پلی پروپیلن و یک غشای فیلتراسیون الیاف ظریف بین این دو لایه تشکیل شده است. علاوه بر این، لایه میانی دیگری از پارچه کربن فعال برای جذب ترکیبات آلی فرار (VOCs) استفاده می شود. برای حفظ شکل و قالب ماسک و نگهداری لایه ها در کنار یکدیگر، یک لایه چسب برای ایجاد یک تناسب محکم در اطراف بینی و دهان کاربر یا از دوخت اولتراسونیک استفاده می شود.
بنابراین، بیشتر ماسک های تجاری از چهار یا پنج لایه ساخته می شوند. لایه ای که با پوست در تماس قرار می گیرد باید پارچه ای نرم و بی بافت باشد تا باعث راحتی کاربر شود. از طرفی ماهیت آبدوست این لایه می تواند قطرات سرفه یا عطسه را جذب و حفظ کند. بیرونی ترین غشاء می تواند یک غشای آبگریز باشد. غشای لایه میانی یک غشای فیلتر با اندازه منافذ کوچک و با راندمان فیلتراسیون بالا در نظر گرفته می شود. لایه میانی یا لایه نانوالیاف را می توان با فرآیندهایی مانند دمیدن مذاب یا الکتروریسی تولید کرد.
فرآیند الکتروریسی نانوالیاف برای ماسک های تنفسی
فرآیند الکتروریسی در حال حاضر رایج ترین روش برای تولید لایه عملکردی ماسک تنفسی نانوالیاف بی بافت می باشد. الکتروریسی فرآیندی برای تولید نانوالیاف از طریق اعمال ولتاژ الکتریکی بالا به محلول یا مذاب پلیمری است. Anton Formhals در دهه 1930 دستگاه و فرآیندی را برای ریسندگی الیاف مصنوعی از محلول های استات سلولز با استفاده از ولتاژ الکتریکی ساخت. بعداً در دهه 1990، با افزایش مطالعات و فناوری، سرعت تولیدات صنعتی الکتروریسی افزایش پیدا کرد. الیاف در فرآیند الکتروریسی به اشکال مختلفی مانند نخ، غشاء و حتی داربست های سه بعدی به دست می آیند.
غشاهای نانوالیاف ماهیت بسیار متخلخل دارند. بنابراین از نظر خواص مکانیکی ضعیف هستند. بنابراین اغلب با یک لایه حمایتی مناسب از جنس پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن (PE)، پلی اتیلن ترفتالات (PET) بکار می روند. فرایند الکتروریسی بر روی این لایه حمایتی انجام می شود و لایه نانوالیاف روی لایه حمایتی تشکیل می شود. سپس یک لایه حمایتی دیگر بر روی غشای نانوالیاف قرار داده می شود. در نهایت عملیات اتصال یا تثبیت این سه لایه بر روی یکدیگر برای حصول یک ماسک از نظر ابعادی انجام می شود.
الکتروریسی نانوالیاف مناسب بر روی لایه حمایتی
مقدار نانوالیاف به پلیمر انتخابی و کیفیت فیلتر مورد نیاز بستگی دارد. به طور کلی بسته به سطوح مورد نیاز راندمان فیلتراسیون و نوع کاربرد وزن لایه نانوالیاف از 0.5 تا 5 گرم در متر مربع تولید می شود. لایه پلی استری یا پلی پروپیلنی (10 تا 25 گرم بر متر مربع) که در بازار آزاد موجود هستند، به دلیل خاصیت تنظیم حرارتی که باعث پایداری ابعادی در میان سایر خواص مطلوب می شود، به عنوان پارچه پشتیبان انتخاب می شوند.
عملیات حرارتی بر روی سه لایه جهت شکل دهی
برای عملیات تنظیم حرارت، کامپوزیت 3 لایه بر روی قالبی که بینی و چانه کاربر را می پوشاند، قرار می گیرد. تکنیک تاشو یا اوریگامی نیز ممکن است برای ایجاد اشکال سه بعدی استفاده شود. دمای تنظیم حرارت برخی از پلیمرها مانند پلی اتیلن ترفتالات، پلی آمید-6 و پلی آمید-66 به ترتیب 210 درجه سانتی گراد، 190 درجه سانتی گراد و 225 درجه سانتی گراد می باشد.
پذیرش تجاری نانوالیاف به عنوان پارچه ماسک تنفسی
در سال های اخیر، فرایند الکتروریسی توسط بسیاری از شرکت ها به صورت تجاری برای تولید نانوالیاف بی بافت به کار رفته است. لایه نانوالیاف برای استفاده به عنوان لایه فیلتراسیون با کارایی بالا در ماسک های تنفسی پذیرفته شده و در محصولات آنها معرفی شده است. از نتایج کارایی فیلتراسیون باکتریایی و ذرات، می توان دریافت که ماسک های نانوالیافی دارای راندمان فیلتراسیون 98 درصدی هستند که از فیلتراسیون ماسک N95 فراتر رفته است. در نتیجه استفاده تجاری از فناوری مبتنی بر نانوالیاف در کاربرد ماسک تنفسی موفق بوده است.
طبقه بندی کلی انواع ماسک ها
ماسک ها انواع خاصی از تجهیزات حفاظت شخصی (PPE) هستند که از کاربر در برابر استنشاق ذرات مضر موجود در هوا (از جمله عوامل عفونی مانند کرونا، SARS، H1N1 و غیره)، گازها یا بخارات محافظت می کنند. آنها معمولاً از قبل قالب گیری می شوند، لایه های مختلف را با چسب یا دوخت اولتراسونیک در کنار یکدیگر قرار می دهند، با یک نوار الاستیک که پشت گوش یا پشت سر قرار می گیرد، بر روی صورت می چسبند و از فیلترهایی برای کاهش آلودگی های مضر هوای استنشاقی استفاده می کنند.
ماسک ها از نظر نوع حفاظت تنفسی به دو نوع تقسیم می شوند:
- ماسک های تصفیه کننده هوا (APRs)
- ماسک های تامین کننده اتمسفر (ASRs)
استاندارد ها و قوانین ماسک های نانو
سازمان غذا و دارو (FDA) تطابق همه ماسک ها را با استانداردهای انجمن آزمایش و مواد آمریکا (ASTM) الزامی می داند. استانداردهای ASTM F2100-11 بر اساس ۴ معیار عملکرد برای مواد مورد استفاده در ساخت ماسک های تنفسی تعیین شده است:
- مقاومت در برابر مایعات
- قابلیت تنفس
- راندمان فیلتراسیون باکتریایی (BFE)
- راندمان فیلتراسیون ذرات (PFE)
سه ویژگی بارز لایه نانوالیاف عبارت است از:
اندازه منافذ کوچک که توسط قطر الیاف کوچک به وجود می آید که کارایی فیلتراسیون بالایی را برای ذرات زیر میکرون، باکتری ها و ویروس ها فراهم می کند.
فرآیند الکتروریسی می تواند الیافی با قطرهایی در محدوده 50 تا 100 نانومتر تولید کند که حداقل مقاومت را در برابر هوا دارد. دلیل آن جریان داشتن هوا در اطراف الیاف می باشد که مسیر آزاد بیشتری نسبت به قطر الیاف ایجاد می کند. قطر کوچکتر الیاف افت فشار کمتر را به دلیل عبور جریان هوا و همچنین بارگذاری سطحی گرد و غبار امکان پذیر می کند که از قابلیت استفاده مجدد توسط پالس معکوس پشتیبانی می کند.
مساحت سطح زیاد، گرد و غبار بیشتری را جذب می کند که نهایتا از ماسک مدت زمان بیشتری استفاده می شود. علاوه بر این، انعطافپذیری در طراحی مانند وزن کم، احساس نرمی و عملکرد سطح برای جذب سموم و گازها امکانپذیر از دیگر مزایای ماسک های نانو می باشد.
تفاوت ماسک میکروفیلتر با ماسک نانو چیست؟
ماسک های سه لایه یکبار مصرف و شل هستند که مانع فیزیکی برای جدا کردن دهان و بینی کاربر از آلاینده های احتمالی در محیط اطراف ایجاد می کنند. آنها معمولاً فقط در جذب ذرات بزرگ آلاینده کارآمد است و برای پیشگیری از بیماری های عفونی استفاده نمی شود.
ماسک های دارای لایه های فیلتری به عنوان تجهیزات حفاظتی برای فیلتر کردن آلاینده های موجود در هوا استفاده می شوند. این فیلتر ها قادر به جذب و حبس ذرات بر روی سطح خود هستند. پارامترهای مختلفی مانند قطر لیف، تخلخل و ضخامت فیلتر بر کارایی فیلتراسیون تاثیرگذار است.
فیلتراسیون عمیق با راندمان پایین و عمر طولانی تر زمانی اتفاق می افتد که از میکروالیاف استفاده شود، در حالی که استفاده از نانوالیاف منجر به راندمان بالا، عمر کوتاه تر و فرآیند فیلتراسیون سطحی می شود. برای انجام فرآیند فیلتراسیون عمیق، راندمان بالا و زمان کوتاه تر، استفاده از نانوالیاف بید دار توصیه می شود.
تفاوت ماسک جراحی با ماسک نانو چیست؟
یک ماسک جراحی استاندارد معمولاً از سه لایه تشکیل می شود. لایه جاذب نرم بی بافت که به عنوان لایه داخلی در نظر گرفته می شود. یک لایه ملت بلون به عنوان لایه وسط و یک لایه بی بافت آبگریز به عنوان لایه بیرونی به کار می رود. هر لایه عملکرد خاصی دارد: لایه داخلی برای جذب رطوبت، عرق و آب دهان طراحی می شود. لایه میانی به عنوان یک فیلتر طراحی شده تا از ورود یا خروج میکروب ها از ماسک جلوگیری کند. لایه بیرونی برای دفع آب، مایعات بدن و خون است.
ماسک نانو حداقل پنج لایه دارد که لایه نانوالیاف به عنوان لایه میانی بین لایه اسپان باند قرار می گیرد. میزان فیلتراسیون ماسک نانو بسیار بیشتر از ماسک جراحی است. به همین دلیل از آن در محیط آلوده و سمی برای فیلتر هوا استفاده می شود.
تفاوت انواع ماسک ها با ماسک نانو چیست؟
سازمان غذا و دارو (FDA) و موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی (NIOSH)، استانداردهای خاص و مشخصی برای تمام ماسک های تنفسی در نظر گرفته اند. در ادامه به بررسی تفاوت ماسک نانو با سایر ماسک ها بر اساس این فاکتورهای مهم و اصلی در تعیین کیفیت یک ماسک تنفسی خواهیم پرداخت.
راندمان فیلتراسیون
میزان فیلتراسیون ماسک های تنفسی با توجه به تعداد لایه ها، جنس و شرایط تولید متفاوت است. با توجه به خواص نانوالیاف که در بالا ذکر شد، راندمان فیلتراسیون ماسک دارای لایه نانوالیاف خیلی بیشتر از ماسک های دیگر می باشد. بنابراین فیلترهای مبتنی بر نانوالیاف جزو اصلی برای افزایش عملکرد فیلتر است. کیفیت فیلتر نانوالیاف نیز به مواردی زیر بستگی دارد:
- انتخاب پلیمر مناسب
- انتخاب غلظت محلول مناسب
- ولتاژ مناسب
- فاصله بین جمع کننده و نوک سرنگ
- ضخامت لایه نانوالیاف
افت فشار
نانوالیاف اجازه می دهند هوای بیشتری با همان راندمان فیلتر عبور کند. به ویژه مقاومتی که هوا هنگام عبور از ماسک با آن مواجه می شود که معمولاً به عنوان افت فشار شناخته می شود. معمولاً هر چه راندمان فیلتراسیون بیشتر باشد، افت فشار نیز بیشتر می شود که باعث می شود ایمن ترین ماسک ها مانند N95 تنفس کمتری داشته باشند. با این حال، افت فشار با مساحت سطح الیاف فیلتر نسبت معکوس دارد که یک امتیاز مثبت برای نانوالیاف است.
تنفس پذیری
نسبت سطح به حجم در لایه نانوالیاف خیلی زیاد است و باعث می شود که نفوذپذیری بیشتر هوا یا مقاومت کمتر هوا نسبت به مدل های بدون لایه نانوالیاف داشته باشد که نشان از قابلیت تنفس پذیری بیشتر لایه نانوالیاف دارد.
ماسک تنفسی سوپاپدار به بازدم راحت تر هوا کمک می کند و رطوبت کمتری در داخل ماسک ایجاد می کند. مشکل ماسک های سوپاپدار این است که هوا را در داخل (دم) فیلتر می کنند اما هوای خارج (بازدم) را فیلتر نمی کنند. در مورد COVID-19، محافظت یک طرفه از ماسکهای دریچهای، افراد اطراف پوشنده را در معرض خطر قرار میدهد.
دفع رطوبت و گرما
همچنین گرمای صورت و گرمای حاصل از دم و بازدم را بهتر از پارچه های سنتی دفع می کنند. رطوبت موجود می تواند بارهای ساکن روی نانوالیاف را از بین ببرد و خاصیت فیلتراسیون آنها را افزایش دهد.
احساس راحتی
با توجه به ضخامت ناچیز لایه نانوالیاف، مانند یک لایه اسپان باند یا ملت بلون مقاومت تنفسی و حرارتی ندارد. از طرفی تاثیری روی قالب پذیری محصول نهایی ندارد که نتیجه آن احساس راحتی کاربر در زمان استفاده است.
خصوصیات فیزیکی
مقاومت مکانیکی نانوالیاف به تنهایی کمتر از پارچه اسپان باند می باشد. به همین دلیل از لایه نانو الیاف به تنهایی استفاده نمی شود. عوامل دیگری که در تعیین خصوصیات لایه نانوالیاف و در نهایت کیفیت ماسک نهایی تاثیرگذار می باشد، عبارت است از:
وزن
گرماژ لایه نانوالیاف خیلی کمتر از پارچه های رایج مورد استفاده در ماسک ها است. این مزیت باعث کاهش وزن ماسک نهایی می گردد.
ضخامت
در تولید لایه نانوالیاف اندازه ضخامت لایه نانوالیاف کاملا قابل کنترل می باشد. نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که یک لایه خیلی نازک از نانوالیاف عملکرد فیلتراسیون را به طور کامل انجام خواهد داد.
نتیجه گیری
در این مقاله سعی کردیم به این سوال کاربران که ماسک نانو چیست پاسخ دهیم. خواص منحصر بفرد نانوالیاف و ساختار آن کاربردهای مهمی در زمینه های مختلف داشته است. یکی از این کاربردها استفاده در ماسک های تنفسی می باشد. حضور لایه نانوالیاف در ماسک، کارایی ماسک در فیلتر ذرات بسیار ریز را به طور چشمگیری افزایش می دهد و همچنین سلامتی را برای جوامع به ارمغان می آورد.
منابع:
Nanofiber-Based Face Masks and Respirators as COVID-19 Protection: A Review
