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Definizione del ciclo di condizionamento e sanificazione delle mascherine

Prof. Lorenzo Tassi – Professore Associato di Chimica Analitica – Università di Modena e Reggio Emilia 
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche.

La mascherina chirurgica è un Dispositivo di Protezione Individuale (DPI) che  nell’ultimo anno è salita alla ribalta di un ipotetico palcoscenico planetario, poiché ha assunto un ruolo di fondamentale importanza relativamente agli effetti in ricaduta per la sicurezza personale, limitando le potenzialità infettive ed epidemiologiche legate alla presenza del virus COVID-19 circolante.

D’altra parte, il carattere pandemico di questa gigantesca infezione virale, riguarda l’intera popolazione mondiale di circa 7.7 miliardi di persone. Di queste, circa il 50% ormai prudentemente indossa la  mascherina di uso quotidiano. A titolo di esempio, solo per la popolazione italiana (circa 60 milioni), sono stati stimati i consumi per l’ultimo trimestre del 2020, che ammontano a 450 milioni di pezzi, ed una massa complessiva di circa 2.000 tonnellate.   

Una quantità di materiali plastici ‘usa e getta’ di dimensioni ciclopiche. Un grande problema è la produzione di questi dispositivi, ma altrettanto grande è il problema del corretto smaltimento dopo l’uso. La scelta di ridurre il consumo quotidiano mediante applicazione di tecniche di condizionamento dei DPI per consentirne il riutilizzo in sicurezza, va nella direzione raccomandabile di limitare non solo il probabile spreco dei materiali, ma soprattutto di ridurne lo smaltimento inadeguato ed evitarne la massiccia dispersione nell’ambiente.

Mentre invochiamo il rispetto reciproco di tutte le persone per garantire a tutti lo stato di salute ottimale, cercando di ridurre a zero i fattori di rischio da contagio interpersonale, chiediamo a tutto il mondo di ‘dare una mano’ per cercare di salvare il pianeta, evitando almeno le ferite ambientali che discendono dai nostri comportamenti sbagliati.

Per definire le caratteristiche meccaniche dei materiali costitutivi le mascherine chirurgiche, ci si può avvalere di una tecnica di indagine strumentale che offre dettagli microscopici di altissimo profilo qualitativo e quantitativo, descrittivi della morfologia del campione.

Il SEM (Microscopio a Scansione di Elettroni), è una tecnica performante, che consente di raccogliere immagini in alta definizione ed elevata risoluzione, in grado di cogliere dettagli di dimensioni inferiori al micron (1 mm = 10-3 mm = 10-6 m). Le immagini si presentano in B/N e scala di grigi, poiché il fascio di elettroni accelerati che impatta sulla superficie del campione non è in grado di percepire il colore dello specimen. L’effetto colore è compatibile solo in microscopia ottica, dove si utilizza il fascio di radiazione elettromagnetica dello spettro visibile per indagare il campione.  

La mascherina di tipo ‘chirurgico’ è generalmente costituita da 3 – 4 strati accoppiati di materiale plastico, ciascuno strato realizzato con tecnologia T-N-T (Tessuto-Non-Tessuto), oltre l’elastico di sostegno. In realtà, alcuni modelli di mascherine realizzate da produttori diversi, contemplano anche qualche tratto di cucitura a filo di cotone sterile, assolutamente resistente ai comuni cicli di trattamento chimico e termico di sanificazione.  In commercio esistono tuttavia altri modelli di mascherine chirurgiche, realizzate anche con materiali diversi, compresi i tessuti in cotone, fibra di lino, fibre sintetiche a trama – ordito, prodotte accoppiando anche strati di tessuti eterogenei. Pertanto, le caratteristiche costruttive ed il comportamento fisico allo stress termico per il condizionamento e la sanificazione dopo l’uso, potrebbero indurre modificazioni strutturali solo su alcuni strati, o parti della mascherina medesima. Per tutti questi prodotti, e materiali diversi, è assolutamente necessario acquisire conoscenze morfologiche e strutturali al fine di garantirne le caratteristiche performanti dopo ogni ciclo di trattamento termo-sanificante.   

L’applicazione della tecnica SEM ai campioni di materiali prelevati dalle mascherine trattate con il dispositivo SSUDPI, consentirà di stabilire le migliori condizioni per la somministrazione dello stress termico, o termo-elettromagnetico se in presenza anche di raggi UV, utile per il condizionamento sanificante (temperature, tempi di contatto termico, n° di cicli sopportabili, ecc.).  

Esame della mascherina in condizioni iniziali, come prodotta dal laboratorio di fabbricazione.

La figura successiva rappresenta la mascherina a 4 strati prodotta da MASKOTT, sezionata per il campionamento del multistrato destinato alla raccolta delle immagini SEM.   Lo strato esterno (A) può essere colorato ed eventualmente trattato all’origine con prodotto sanitizzante.

Prima di esaminare i risultati delle indagini al microscopio SEM, osserviamo le immagini fotografiche per cogliere l’impatto visivo ed i fattori di risposta alle sollecitazioni termomeccaniche.

70 °C; dopo 4 cicli di 10’ ciascuno
– nessuna deformazione;
– il materiale TNT non mostra difetti;
– l’elastico conserva le sue caratteristiche e mantiene la memoria di forma;

90 °C; dopo 4 cicli di 10’ ciascuno
– nessuna deformazione;
– il materiale TNT non mostra difetti;
– l’elastico conserva le sue caratteristiche e mantiene la memoria di forma;

105 °C; dopo 4 cicli di 10’ ciascuno
– nessuna deformazione;
– il materiale TNT non mostra difetti;
– l’elastico conserva le sue caratteristiche e mantiene la memoria di forma;

135 °C; dopo 4 cicli di 10’ ciascuno
– qualche deformazione modesta;
– il materiale TNT mostra piccoli difetti, che comunque non pregiudicano la stabilità del materiale;
– l’elastico conserva le sue caratteristiche e mantiene la memoria di forma;

160 °C; dopo 1 ciclo di 10’ 
– deformazioni consistenti;
– il materiale TNT mostra difetti importanti, comparsa di fibre termosaldate, perdita delle proprietà meccaniche e riduzione della flessibilità, la mascherina diventa inservibile;
– l’elastico conserva le sue caratteristiche e mantiene la memoria di forma;

IMMAGINI  raccolte con la tecnica SEM (Microscopia a Scansione di Elettroni)

CONCLUSIONI 

Per quanto osservato e sommariamente descritto, possiamo affermare che la mascherina chirurgica MASKOTT può essere condizionata termicamente mediante somministrazione di un flusso di calore secco fino a  105 °C per cicli di durata di 10 minuti.

In ogni caso, il materiale di produzione del TNT (fibre di polipropilene 100 %; diametro ~ 18 ÷ 20 mm; spessore di strato del tessuto ~ 100 mm; grammatura ~ 30 g/m2), resiste in maniera ottimale anche per riscaldamento prolungato di 40 minuti, equivalente a 4 cicli termici consecutivi di 10 minuti ciascuno. Il materiale mantiene le sue caratteristiche costruttive senza subire modificazioni strutturali che ne riducano le proprietà meccaniche (elasticità, flessibilità, morbidezza al tatto, vestibilità facciale, ecc.). Probabilmente, la mascherina potrebbe subire un trattamento severo fatto di molti altri cicli termici a 105 °C, senza tuttavia accusare criticità o mostrare l’insorgenza di difettologie che potrebbero pregiudicarne l’utilizzo in condizioni di massima sicurezza. 

Quest’ultima indicazione potrebbe suggerire che il trattamento termico di condizionamento sanificante risulta efficace per alcuni cicli di utilizzo, e ragionevolmente si può ritenere che 4 ÷ 8 cicli siano adeguati per un ipotetico tempo di vita medio della mascherina, equivalente a 1 ÷ 5 giorni, in funzione anche delle situazioni di contesto per l’utilizzo medesimo (la persona, le sue mansioni, le caratteristiche ambientali, ecc.).   

La massima temperatura del flusso termico per il condizionamento sanificante della mascherina MASKOTT, ancora compatibile con il mantenimento delle proprietà funzionali del dispositivo, raggiunge la soglia di 135 °C. In queste condizioni, lo stress termico induce solo qualche modesto effetto sulla struttura del materiale TNT, poiché siamo ormai prossimi al limite del collasso che è stato rilevato a partire da 140 °C. 

Superato questo valore, i fenomeni di rilassamento strutturale delle fibre, associati ai processi di ritiro, comportano deformazioni e perdita di funzionalità della mascherina per irrigidimento e comparsa di grinze devastanti. Alla temperatura di 160 °C, i processi di fusione-pressofusione localizzata comportano la deformazione permanente delle microfibre e, di conseguenza, la contrazione irreversibile del dispositivo.  

Alla temperatura di 190 °C, il riscaldamento distrugge letteralmente il dispositivo a base di microfibre di polipropilene (temperatura di fusione = 160 ÷ 175 °C). 

Per quanto riguarda l’elastico a base di microfibre di poliuretano, non abbiamo registrato nessuna perdita strutturale e funzionale fino alla temperatura di 160 °C (temperatura di fusione = 180 °C).

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