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オリマスク研究所長の石垣です。ここでは、誰でも入手でき、マスクに使えそうなフィルター材料の評価を片っ端から行いたいと考えています。フィルターに電気的・物理的な処理をすることで捕集効率を向上させる実験も行います。在宅勤務のため研究機材はキッチンで自作しています。以下では当研究所の機材をご紹介します、全て無償でお借し出しいただきました。この場をもって御礼申し上げます。なお実験は新しい順に表示します。また一般の方でも読みやすいよう、結果と考察を先に、実験方法を後に書いています。
I'm Ishigaki, director of the ORIMASK Laboratory. Here, we want to do a quick evaluation of the filter materials that anyone can get and use in a mask. We will also conduct experiments to improve collection efficiency by electrically and physically treating the filter. I work from home, so I make my own research equipment in the kitchen. In the following, we introduce our equipment, all of which we borrowed free of charge. I would like to take this opportunity to thank you. Experiments are displayed in the order of newest. To make it easier for the general public to read, I have written the results and discussion first, and the experimental methods later.
リオン社製ハンドヘルドパーティクルカウンターKC-52
RION Hand held particle counter KC-52マイクロからサブナノ粒子の測定用、研究者からお貸出しいただきました。
For measuring micro to sub-nanoparticles, a researcher lent it to us. This is the main equipment.
スイスnaneos社製ナノパーティクルカウンタpartector2
Swiss naneos Nano particle counter partector2ナノ粒子の測定用、英弘精機様からお貸出しいただきました。
Eiko Seiki lent us a sample for nanoparticle measurement. I will be using it in the future.
グリーンテクノ社製
コロナ帯電装置
Green techno Inc. Corona charging deviceコロナ処理の評価用、グリーンテクノ様からお貸出しいただきました。
Green Techno lent us this equipment for evaluation of corona treatment. We are going to verify it.実験6：様々なマスクの微細構造を電子顕微鏡で観察
様々なマスクが買えるようになってきたので、大学の電子顕微鏡を借りて観察してみました。倍率は全て100倍です。
不織布
サージカルマスクで使用されているポリプロピレン不織布の中間層（フィルター）です。数nm～数十nmの狭い間隔で細い繊維がランダムに配置されているため、小さな粒子を遮って捕集できると考えられます。
布
日本政府配布の布マスクです。タテヨコに織られた束は繊維が密集しており殆ど空気が通らない一方で、束と束の間は100nm程度の広い空間が開いており、多くの微粒がすり抜けてしまうでしょう。
発泡ウレタン
多孔質の発泡ポリウレタンマスクです。布マスクと比べて通気性は高そうですが、孔の直径が数十nmと大きいため、やはり多くの微粒子は通過すると思われます。
ポリエステル繊維
ポリエステル繊維をV字型に折り込んで作られています。隙間がほとんど無いため呼気抵抗が高いと思われます。また不織布のように帯電させることができないため捕集効率は限定的です。
実験5：医療用サージカルマスクとの性能比較
医療機関のご協力により国内メーカー製のサージカルマスクを寄付いただきましたので、オリマスクとの性能比較を行いました。オリマスクは、製造後25日経過したものを使っています。
次の試料について捕集効率を調べた結果をFig.5に示す。全体的に捕集効率が高かったのはHOGYサージカルと、オリマスクダブルであった。通常のオリマスクも粒子径≧0.3umで80%、≧0.5では90%以上の捕集効率であった。ヤマトメディカルは粒子径≧0.3umでの捕集効率が最も高かった一方、粒子径が大きくなるほど捕集効率が低くなるという特徴的な性能曲線を示した。いずれのマスクも、実用上充分な性能を持つと考えらられる。
オリマスク：エルタス®にコロナ放電処理を行った製品版のオリマスク生地を2枚重ねたもの。なお、製造後25日経過したものを使用。
オリマスクダブル：上記のオリマスクをさらに二重（合計4枚）に重ねたもの
HOGYサージカル：ホギメディカル社製サージカルマスクMM-76（低圧損フィルター採用、BFE/PFE 99%の性能表記あり）
ヤマトメディカル：メディソフトマスク(ASTM-F2100-11のバリアレベル２適合品、PFE/BFE/VFE 99%の性能表記あり)
なおプロトコルは実験2と同様である。
実験4：ナノ粒子に対する捕集効率の測定実験
英弘精機様からpartector2をお貸出しいただきましたので、これまでの実験機材であるKC-52では測定できなかったφ0.3um以下のナノ粒子に対する捕集効率を調べました(2020/5/25)。併せてオリマスクと国産の医療用マスクを比較して、ナノ粒子の捕集効率において両者に大きな違いが無いことを確かめました。
Table 4-1. partector2による測定結果
測定器の測定項目は以下の通り。
- A-LDSA[um2/cm3] 平均肺沈着表面積
- N（個数濃度）[count]
- d（平均粒子径）[nm]
測定器のその他のスペックは以下の通り。
- 濃度範囲：10～300nm
- 濃度範囲：0～12000μm2／cm30～106pt／cm3
- 粒子サイズ範囲：10～300nm
- 正確度：±30%
- 流量：0.5L/min
- バッテリー使用時間：20時間
- 寸法：8.8×14.2×3.4cm
- 重量：450g
- 時間分解能：1秒
Table 4-1に実験結果を示す。各列について以下で説明する。
- バックグラウンド(BG)：測定の様子をFig.4-1に示す。
- オリマスク：製造後25日間経過したオリマスクを使用、測定の様子はFig.4-2に示す。
- 国産医療用：ホギメディカル社製サージカルマスクMM-76、測定の様子をFig.4-3に示す。
捕集効率はオリマスクと国産医療用で同値の96%であった。平均粒子径nはオリマスクの方が大きかったため、捕集特性（スペクトル）はオリマスクの方が国産医療用と比べて、小さな粒子の捕集効率が高いといえる。
測定プロトコルは実験２に準じたが、本機材の応答時間は8sec.であるため換気運転と実測定は8sec.以上行った。KC-52と比べて流量が低速であるため、通気線速度は1cm/sec.程度と比較的遅いことが予測される。そのため捕集効率をフィルタ性能としてみる場合、絶対値で判断するのではなく相対的に比較した方が良いだろう。
Fig.4-1 バックグラウンドの測定
Fig. 4-2 オリマスクの測定
Fig. 4-3 国産サージカルマスクの測定
実験3：オリマスク不織布へのコロナ放電による捕集効率の向上実験
グリーンテクノ社製のコロナ帯電装置をお貸出しいただきました、ありがとうございました。オリマスク不織布にコロナ放電を行いエレクトレットを形成させることで捕集効率がどのように向上するかを評価しています。(2020/4/30)
Experiment 3: Improvement of collection efficiency by corona discharge on ORIMASK nonwoven fabricThank you very much for lending us a corona charging system made by Green Techno. We have evaluated how the collection efficiency is improved by forming electrets by corona discharge on ORIMASK nonwoven fabric. (4/30/2020)
Fig.3-1 オリマスク不織布へのコロナ放電による捕集効率の変化
Fig.3-1 Change in collection efficiency by corona discharge on ORIMASK nonwoven fabric- 距離：ステンレス板とコロナ放電バーの電極間の距離[cm]、10cmと15cmで実験
- 印加電圧：コロナ放電バーへの印加電圧[kV]、10kv, 20kv, 30kvで実験
- 放電時間：コロナ放電の時間[sec]、3sec, 10secで実験
- 温度条件：常温または加温で実験（加温では、試料にハロゲンヒーター500Wを50cmの距離から照射しながら実験した）
- 試料種別：個体差を確かめるため試料をA及びBの半分に分割した測定
- Distance: The distance between the electrodes of the stainless steel plate and the corona discharge bar [cm], 10 cm and 15 cm.
- The applied voltage: The applied voltage to the corona discharge bar [kV], 10kv, 20kv and 30kv are tested.
- Discharge time: Corona discharge time [sec], 3 sec, 10 sec
- Temperature conditions: room temperature or heating. For heating, the samples were exposed to a halogen heater of 500 W at a distance of 50 cm while the experiment was carried out.
- Sample type: The sample was divided into two halves (A and B) in order to check individual differences.
実験3-1 コロナ放電の距離/電圧/時間と温度や個体差の評価（予備実験）
Experiment 3-1 Evaluation of distance, voltage, time, temperature, and individual differences in the corona discharge (preliminary experiment)
オリマスクで使用している不織布試料（旭化成エルタス®P03050、厚み0.38mm）をアースしたステンレス板の上に置き、その上からグリーンテクノ社製のコロナ放電バーにより放電を行った後に、一晩放置した上で、実際のオリマスクで使われる状態を再現するため試料を2枚に重ね合わせた上で捕集効率を測定した。実験プロトコルは実験2に準じる。距離・印加電圧、放電時間、温度条件等の実験条件を変化させながら捕集効率の違いを調べた。結果はFig.3-1の通りで、実験条件により特に0.3[um]以上の微粒子に対する捕集効率が大きく変化することがわかった。捕集効率向上のためには、距離を15cmよりも10cmと短くとった方が良い傾向にあり、印加電圧は20kv～30kvが良い傾向にあり、また放電時間は3secでも10secでも顕著な差はみられず、また試料を半分に分割しても個体間の差は見られなかった。粒子径が≧2umや≧5umの領域ではバックグラウンド粒子が少なくパーティクルカウンタの計数値が10count以下であったため値にバラつきが見られるが、概ねどのコロナ放電の条件においても捕集効率が90%を超えていると推測できる。各実験の詳細な条件は以下の通り。
A nonwoven fabric sample (Asahi Kasei Eltus® P03050, thickness 0.38 mm) used in ORIMASK was placed on a grounded stainless steel plate, discharged evenly with a corona discharge bar manufactured by Greentechno, and then left overnight to eliminate static electricity.The experimental protocol is in accordance with Experiment 2. We investigated the differences in collection efficiency by varying the experimental conditions such as distance, applied voltage, discharge time and temperature conditions. The results were shown in Fig.3-1, and it was found that the collection efficiency of the particles above 0.3[um] varied greatly with the experimental conditions. In order to improve the collection efficiency, a shorter distance of 10 cm rather than 15 cm tends to be better, and the applied voltage tends to be 20 to 30 kv. No significant difference in discharge time was observed in either 3 or 10 seconds, and there was no difference between individuals when the samples were divided in half. In the regions of particle size ≥2um and ≥5um, there were few background particles and the total value of the particle counter was less than 10 counts, so the values were uneven. However, it is estimated that the collection efficiency exceeds 90% under all coronal discharge conditions.The detailed conditions for each experiment are as follows.
Fig.3-2 オリマスク不織布へのコロナ放電による捕集効率の変化
Fig.3-2 Change in collection efficiency by corona discharge on ORIMASK nonwoven fabric- エルタス®_1cm3min：オリマスクで使用する不織布試料（旭化成社製エルタス®P03050、厚み0.38mm）を実際のオリマスクの構造に合わせて2枚重ねした試料に、コロナ放電(-2.5kV)を1cmの距離から3min与えたもの。
- エルタス®_1cm3min熱風：上記1の試料と同様だが、コロナ放電時にドライヤーの熱風を与えたもの。
- エルタス®x4_1cm3min：上記1の試料と2の試料を重ね合わせて合計4枚としたもの。
- エルタス®x2_処理：オリマスクで使用する不織布試料（旭化成社製エルタス®P03050、厚み0.38mm）をコロナ処理せず、2枚重ねしたもの。
1. Eltus®_1cm3min: A non-woven fabric sample (Asahi Kasei's Eltus® P03050, thickness 0.38mm) used in an ORIMASK is stacked on top of each other to match the structure of the actual ORIMASK and subjected to a corona discharge (-2.5kV) at a distance of 1cm for 3min.2. Eltus®_1cm3min hot air: Same as the sample in 1 above, but with hot air from a dryer during corona discharge.3. Eltus® x4_1cm3min: The samples in 1 and 2 above are superimposed to form a total of 4 sheets.4. Eltus® x2_ treatment: A non-woven fabric sample (Asahi Kasei's Eltus® P03050, thickness 0.38 mm) used in ORIMASK is stacked on top of each other without corona treatment.
実験3-2 最適条件下での捕集効率の評価（本実験）
Experiment 3-2 Evaluation of collection efficiency under optimal conditions (this experiment)
実験3-1の結果を受けて、放電距離1cmと短く設定し、印加電圧25kvにて実験3-1と同一の手法で実験を行った。ただし今回は距離を1cmと短く保つためコロナ放電にはグリーンテクノ社製のコロナ放電ガンを用いた。コロナ放電ガンはコロナ放電バーと比べて電極数が1/8、電流量が1/4程度であるため、コロナ放電により生成されるイオン量も1/32に減少すると仮定して、放電時間は3minと実験3-1よりも長く設定した。実験結果をFig.3-2に示す。未処理のオリマスク不織布でも粒子径≧2umの捕集効率は75%程度、粒子径≧0.3umでは45%程度である。オリマスク不織布に上述のコロナ放電処理を与えることで、粒子径≧2umの捕集効率は95%程度、粒子径≧0.3umでは80%程度に大きく向上できた。なおオリマスク不織布を4枚重ねれば、粒子径≧0.3umの捕集効率も95%以上に高められることが示唆された。各試料の詳細は以下の通り。
Following the results of Experiment 3-1, the experiment was conducted with the same method as Experiment 3-1 with a short discharge distance of 1 cm and an applied voltage of 25 KV. This time, however, in order to keep the distance as short as 1 cm, a corona discharge gun made by Green Techno was used for corona discharge. Since the number of electrodes and the amount of current of the corona discharge gun are 1/8 and 1/4 of those of the corona discharge bar, the discharge time was set at 3 min and longer than in Experiment 3-1, assuming that the amount of ions produced by the corona discharge would also decrease to 1/32. The experimental results are shown in Fig. 3-2. Even with untreated orimask nonwoven fabric, the collection efficiency of particle size ≥2um is about 75% and 45% for particle size ≥0.3um. The corona discharge treatment of the olimask nonwoven fabric as described above significantly improved the collection efficiency of the particle size ≥ 2um to about 95% and the collection efficiency of the particle size ≥ 0.3um to about 80%. It was suggested that the collection efficiency of the particle size ≥ 0.3um could be improved to more than 95% by layering four orimask nonwoven fabrics. The details of each sample are as follows.
実験2：通気線速度を7cm/secに上げた追実験
Experiment 2: A follow-up experiment in which the airflow velocity was increased to 7 cm/sec.
慶應義塾大学理工学部の奥田 知明教授（研究室Webページ）より、実験1の通気線速度1cm/sec.が低めではないかとのご指摘をいただきました、ありがとうございました。奥田先生のYouTubeチャンネルでは、マスクに関する様々な実験を紹介されています。今回は奥田先生のご助言を元に、評価系を改良し通気線速度7cm/sec.での追実験を行いました。またN95マスクや、BFE捕集効率95%以上の標記があるマスクを入手することができたので、併せて評価しました。(2020/4/26)
Professor Tomoaki Okuda (Keio University, Faculty of Science and Technology) pointed out that the airflow velocity of 1cm/sec. in Experiment 1 may be low, thank you very much. Dr. Okuda's YouTube channel shows various experiments with masks. Based on Dr. Okuda's advice, we improved the evaluation system and carried out a follow-up experiment at the air velocity of 7cm/sec. In addition, we were able to obtain N95 masks and masks with a BFE collection efficiency of more than 95%, so we evaluated them together. (2020/4/26)
Fig.2-1 汎用不織布と市販マスクの捕集効率（通気線速度7cm/secでの追実験）
Fig.2-1 Collection efficiency of general-purpose nonwoven fabric and commercial masks (follow-up experiment at the airflow velocity of 7cm/sec)
- N95：3M社製のN95マスク、5年以上前に購入されたもの
- エルタス®3秒：旭化成社製の不織布エルタス®(P3050, t=0.38mm, A4サイズに切断)にコロナ放電処理(-20kV, 3sec.)を施した後に10日間放置したものを2枚重ねたもの（放電処理直後の表面電位は-15kV）
- エルタス®3秒＋ブラシ：上記2の試料表面をナイロンブラシで擦ったもの
- エルタス®3秒＋ブラシ：上記3の試料両面に再度コロナ放電（グリーンテクノ社製GC25B電池式帯電ガン、-25kV, 30sec.）を行ったもの
- スプリトップ®：前田工繊社製の不織布スプリトップ®（SP-1050E, t=0.32mm, 目付50g/㎡）を2枚重ねたもの
- スプリトップ®＋コロナ両面：上記5の資料に上記4と同じコロナ放電を行ったもの
- 市販BFE95%以上：市販のマスクで外箱に「BFE（細菌濾過効率）95%以上」との表記があるもの
- ティッシュx3：スーパーマーケット西友で購入した家庭用ティッシュ「きほんのき」3枚重ね
- キッチンx2：スーパーマーケット西友で購入した家庭用キッチンペーパー「きほんのき」2枚重ね
1. N95: 3M's N95 mask, purchased over 5 years ago2. ELTAS 3 seconds: Two sheets of Asahi Kasei's non-woven ELTAS (P3050, t=0.38mm, cut to A4 size) were subjected to corona discharge treatment (-20kV, 3sec.) and left for 10 days, then piled on top of each other (surface potential immediately after discharge treatment is -15kV).3. ELTAS 3 seconds + brush: The surface of the sample in 2 above was rubbed with a nylon brush.4. 3 seconds of ELTAS + Brush: Corona discharge (-25kV, 30sec. with GC25B battery-type charging gun manufactured by Greentechno) was applied again to both sides of the above 3 samples.5. spritop: Two layers of Maeda Kosen's nonwoven spritop (SP-1050E, t=0.32mm, weight 50g/m2)6. spritop + coronal double-sided: the same corona discharge as in 4 above is applied to the data in 5 above.7. Commercial masks with a BFE of 95% or more: Commercial masks with a BFE (bacterial filtration efficiency) of 95% or more indicated on the outer box.8. Tissue x3: 3 layers of household tissues "Kihonki" purchased at Seiyu supermarket9. Kitchen x2: Two layers of kitchen paper "Kihonki" for home use, purchased at Seiyu supermarket
実験2-1 市販マスクと汎用不織布の比較
Experiment 2-1 Comparison between commercial masks and general-purpose nonwoven fabrics
実験1で使用した材料の他、N95マスク（3M社製）や「BFE捕集効率95%以上」の標記がある市販マスクを入手したので追実験を行った。結果はFig.2-1の通りで、3M社のN95マスクは粒子径≧0.3umにおいて95%以上の捕集効率を示した。このことから評価系に空気漏れが無く正常に測定できていることが示唆される。全体的には実験1-1と同様に、コロナ放電処理による捕集効率の向上がみられた。例えば前田工繊社製スプリトップ®不織布については、コロナ処理後に捕集効率が3倍程度となっている。また旭化成社製エルタス®不織布については、ブラシ擦過と両面のコロナ処理を行うことで粒子径≧0.3umにおいて80%以上の捕集効率となった。全体として評価系の通気線速度が上がったため捕集効率の実験1と比較して測定値はやや下がる結果となった。外箱に「BFE（細菌濾過効率）95%以上」と書かれたマスクを実際に測定した結果、粒子径≧0.3umの捕集効率は40%に満たなかった。これは捕集効率だけ見ればティッシュ3枚程度の性能といえ、マスクとして十分な性能かどうかには疑問が残る。また、我が国においては捕集効率の表示方法に法規制やガイドラインが無く、通気線速度や試験粒子といった実験条件によって過大に表示することも可能であると考えられるため、購入時には注意が必要といえる。各試料の詳細は以下の通り。
※本実験時は粒子径5 [um]以上のカウント数が数10 [count/L]程度しか得られなかったため、Fig.2-1の粒子径≧5 [um]での測定結果は誤差が大きいため各試料の捕集効率を相互に比較することは難しい。※本実験系で測定した0.3[um]は光散乱等価径であり、N95マスクの評価尺度である空気動力学径とは異なるため、厳密にはN95規格に相当する実験系とは異なる。
We obtained N95 masks (manufactured by 3M) and commercial masks with a BFE collection efficiency of more than 95%, so in addition to the materials used in Experiment 1, we performed a follow-up experiment. The results are shown in Fig.2-1, 3M's N95 mask showed more than 95% collection efficiency at a particle size ≥ 0.3um. and the performance of 3M's N95 mask is consistent with the standard. This suggests that there was no air leakage in our evaluation system and the measurement was performed correctly. Overall, as in Experiments 1-1, the corona treatment improved the collection efficiency.For example, the collection efficiency of the sprit-top nonwoven fabric was about three times higher after corona treatment. As a whole, the airflow velocity of the evaluation system was increased and the measured values were lower than those of Experiment 1. We measured a mask labeled "BFE (bacterial filtration efficiency) 95% or more" , and the collection efficiency for particle size ≥ 0.3um was less than 40%. The performance of this mask is only about three tissues if you look at the collection efficiency alone, and it is questionable whether it is sufficient as a mask. In Japan, there is no legal regulation or guideline on how to indicate the collection efficiency, and it is possible to over-indicate the collection efficiency by experimental conditions such as air velocity and test particles. Therefore, it can be said that it is necessary to be careful when purchasing. The details of each sample are as follows.
*It is difficult to compare the collection efficiency of each sample with that of the other because of the large error in the measurement of particle size ≥5 [um] in Fig.2-1.
評価方法
Evaluation Method
評価系の測定条件及び評価プロトコルは実験1と同一である。ただし、治具類を小型化することで通気線速度の向上を図った。新しい治具部の製作過程をFig.2-2(a)に、B/G測定時（フィルタ無し）の実験系の全体像をFig.2-2(b)に、またフィルタ測定時の治具の拡大像をFig.2-2(c)に示す。ここでリオン社製ハンドヘルドパーティクルカウンターKC-52の吸入口部分から順にみて、治具は次の順番で組み立てた。
- 吸入口ゴムパッキン（ストレッチ運動用ゴムチューブを切断、オレンジ色、Fig.2-2(a)(b)(C)ではいずれも隠れており見えない）
- 小型プラスチック漏斗（黄色）
- シリコン製フィルタパッキン（捺印マットをカット、黄緑色）
- シリコン製フィルタパッキン（捺印マットをカット、黄緑色）、3と同じもの
- 小型プラスチック漏斗（2と同じもの）
- 上述の治具2-5を結束させるためのゴムバンド4本
- 上述の治具1-2からの空気漏れを防ぐための止水テープ（白色）
バックグラウンド（以下B/G）の測定時には上記1-7の治具を用いて測定する。フィルタ性能の測定時は、Fig.1-4(c)に示す通り、治具3と4の間に、測定対象のフィルタ試料を挟み込む。
ここで実験1と2の通気線速度の比較を行う。KC-52 の通気流量は 2.83[L/min] = 2830 [cm^3/min] = 47.167 [cm^3/sec.]である。実験1で使用したフィルターの通気孔径 は φ 77 [mm]であるため、その通気面積は38.5 [mm] ^2 * pi=46.57 [cm^2]、よって通気線速度は1 [cm/sec.]となる。実験2で使用したフィルターの通気孔径 は φ 29 [mm]であるため、その通気面積は14.5 [mm] ^2 * pi = 6.6 [cm^2]、よって通気線速度は7 [cm/sec.]となり、これは実験1の条件の7倍である。
The measurement conditions and evaluation protocol of the evaluation system are the same as in Experiment 1. However, the speed of the ventilation line was improved by reducing the size of the jigs. The fabrication process of the new jig is shown in Fig.2-2(a), the whole image of the experimental system without filter is shown in Fig.2-2(b), and the enlarged image of the jig with filter measurement is shown in Fig.2-2(c). The jig was assembled in the following order, starting from the intake port of the Rion handheld particle counter KC-52.
1. inlet rubber packing (rubber tube for stretching exercise was cut, orange; both are hidden in Fig. 2-2(a)(b)(C))2. small plastic funnel (yellow)3. silicon filter packing (cut the stamp mat, yellow green)4. silicon filter packing (cut the stamp mat, yellow green), same as 35. small plastic funnel (same one as 2)6. four rubber bands for binding the above mentioned jigs 2-57. water sealing tape (white) to prevent air leakage from the above-mentioned jig 1-2
The background (B/G) is measured using the jig shown in 1-7 above. When the filter performance is measured, the filter sample to be measured is sandwiched between jigs 3 and 4 as shown in Fig. 1-4(c).Here we compare the ventilation line velocities in Experiments 1 and 2. The ventilation flow rate of KC-52 is 2.83 [L/min] = 2830 [cm^3/min] = 47.167 [cm^3/sec.]. Since the diameter of the filter used in Experiment 1 is φ77 [mm], its ventilation area is 38.5 [mm] ^2 * pi=46.57 [cm^2], therefore, the ventilation line velocity is 1 [cm/sec.]. Since the diameter of the filter used in Experiment 2 is φ29 [mm], its ventilation area is 14.5 [mm] ^2 * pi = 6.6 [cm^2], therefore the ventilation line velocity is 7 [cm/sec.], which is 7 times of the condition in Experiment 1.
Fig.2-1(a) 新しく制作した治具
Fig.2-1(a) Newly made jig
Fig.2-2(b) B/G測定時の実験系全体
Fig.2-2(b) Whole experimental system at the time of B/G measurement
Fig.2-3(c) フィルタ測定時の治具拡大図
Fig.2-3(c) Enlarged view of the jig during filter measurement実験1：通気線速度1cm/sec.での予備実験
Experiment 1: Preliminary experiment at the ventilation line speed of 1cm/sec.村田 克 准教授（早稲田大学 環境資源工学科）より、身近な材料を使った評価系構築にあたり漏斗やシリコンパッキン等の有益なアドバイスをいただきました。ありがとうございました。(2020/4/23)
Associate Professor Katsuru Murata (Department of Resources and Environmental Engineering, Waseda University) gave us some useful advice on the construction of evaluation systems using familiar materials, such as funnels and silicon packing. Thank you very much. (2020/4/23)
Fig.1-1 不織布の種類・枚数・加工方法を変化させたときの捕集効率の変化
Fig.1-1 Changes in collection efficiency by changing the type, number of sheet and processing method of nonwoven fabric- ダイソー無加工x1：100円ショップダイソー販売のラッピング用不織布1枚（A4サイズに切断）
- ダイソー無加工x2：上記1の試料を2枚重ねたもの
- ダイソーコロナ3秒x2：上記1の試料にコロナ放電処理(-20kV,3sec.)を施した後に1週間放置したものを2枚重ねたもの（放電処理直後の表面電位は-15kV）
- ダイソーコロナ10秒x2：上記1の試料にコロナ放電処理(-20kV,10sec.)を施した後に1週間放置したものを2枚重ねたもの（放電処理直後の表面電位は-18kV）
- ダイソー擦過ハブラシx2：上記1の試料表面を100円ショップダイソー販売のナイロン歯ブラシで100回まんべんなく擦過した後に1週間放置したものを2枚重ねたもの（擦過直後の表面電位は-12kV）
- ダイソー擦過ストッキングx2：上記1の試料表面を100円ショップダイソー販売の婦人用ナイロンストッキングで100回まんべんなく擦過した後に1週間放置したものを2枚重ねたもの（擦過直後の表面電位は-9kV）
- エルタスコロナ3秒x2：旭化成社製の不織布エルタス(P3050, t=0.38mm, A4サイズに切断)に上記3と同じコロナ放電処理を施した後に1週間放置したものを2枚重ねたもの（放電処理直後の表面電位は-30kV）
1. DAISO unprocessed x1: 1 piece of non-woven fabric for wrapping (cut into A4 size) sold at 100 yen shop DAISO.2. DAISO unprocessed x2: two layers of the sample from 1 above3. DAISO corona for 3 seconds x 2: The sample in 1 above was subjected to corona discharge treatment (-20 kV, 3 seconds.) and left for one week, and two sheets were stacked (surface potential immediately after discharge treatment is -15 kV).4. DAISO corona 10 sec. x 2: A sample in 1 above was subjected to corona discharge treatment (-20 kV, 10 sec.) and left for one week, and two sheets were stacked (surface potential immediately after discharge treatment is -18 kV).5. DAISO scrubbing toothbrush x 2: The surface of the sample above 1 was scrubbed evenly with a nylon toothbrush sold at DAISO, and then left for one week, and two of them were stacked (surface potential immediately after scrubbing is -12kV).6. DAISO scrubbing stockings x 2: The surface of the above 1 sample was scrubbed evenly with a 100-yen women's nylon stocking sold at DAISO, and then left for one week (surface potential immediately after scrubbing is -9kV).7. ELTAS corona 3 seconds x 2: Asahi Kasei's nonwoven ELTAS (P3050, t=0.38mm, cut into A4 size pieces) is subjected to the same corona discharge treatment as described in 3 above, and left for one week, and two sheets are stacked (surface potential immediately after discharge treatment is -30kV).
実験1-1 不織布
Experiment 1-1. Non-woven fabric
マスク不足の昨今でも100円ショップ等で比較的容易に入手できるポリプロピレン(PP)不織布を収集し、捕集性能を調べた。PP不織布にコロナ放電を行うことで繊維中に電気分極（エレクトレット）が形成され、半永久的な静電気力により微粒子を吸着できることが知られており、高性能マスクでは広く採用されている（明星2013, 安藤1994,1996,2007）。また異素材を擦りつけることで摩擦帯電が生じ捕集効率が上がるとされる（中村ほか2007）。そこで、不織布に対するコロナ放電処理や、PPと帯電率が離れているナイロン製品の擦過による捕集効率の変化を調べた。
結果はFig.1-1の通りで、全体的にコロナ処理による捕集効率の大幅な向上がみられた。なお、コロナ処理時間は3秒でも10秒で顕著な違いはみられなかった。誰でも入手できるハブラシの擦過のみで捕集効率を向上させられた点は有用といえる。ストッキングの擦過による効果が低かったのは、不織布に十分な圧力がかからなかったためだと考えられる。全体ではエルタス®が最も高い集塵効率を示しており、さらにこの材料を擦過することで0.3um微粒子の捕集効率を90%以上に高められることを期待したい。各試料の詳細を以下に述べる。
※試料5,6では効率的な摩擦帯電を得るべく、帯電率(+)がPPから最も離れた安定した材料としてナイロン製品で擦過した。ナイロンブラシにカーボンブラックを混ぜて導電性を持たせた製品をアース接続しながら擦過することで、摩擦帯電で発生した電荷をブラシ上で飽和させず逃すことができ、摩擦対象のシート材の規模に制限されることなく帯電できるとの報告もある（中村ほか2017）。※試料3-4, 7のコロナ放電処理は春日電機社の実験設備をお借りして実施した。
*In samples 5 and 6, we chose nylon products to be rubbed as the stable material whose charging rate (+) is farthest from PP in order to obtain efficient frictional charging. It has been reported that by rubbing a product with a nylon brush mixed with carbon black to make it conductive while connecting it to the ground, the charge generated by frictional charging can be released to the ground without being saturated on the brush , and it can be charged without being limited by the size of the sheet material to be rubbed (Nakamura et al. 2017).*The corona discharge treatment of samples 3-4 and 7 was carried out with the experimental equipment of Kasuga Electric Co.
Fig.1-2 ティッシュ、キッチンペーパー、医療用ドレープの捕集効率
Fig.1-2 Collection efficiency of tissues, kitchen papers and medical drapes- キッチンペーパーx1：スーパーマーケット西友で購入した家庭用キッチンペーパー「きほんのき」1枚
- 上記1の試料を2枚重ねたもの
- メッキンドレープx1：ホギメディカル社製メッキンドレープを2枚重ねたもの、病院内では容易に入手できる事からマスクとしての適合性を評価するため測定した。
- ティッシュx1：スーパーマーケット西友で購入した家庭用ティッシュ「きほんのき」1枚
- ティッシュx2_0deg：上記4の試料を同方向に2枚重ねたもの。
- ティッシュx2_45deg：上記4の試料を45度の方向に2枚重ねたもの。
- ティッシュx2_90deg：上記4の試料を90度の方向に2枚重ねたもの。
- ティッシュx3_0deg：上記4の試料を同方向に3枚重ねたもの。
1. kitchen paper x1: 1 sheet of household kitchen paper "Kihonki" purchased at Seiyu supermarket2. two samples of 1 above stacked on top of each other.Sterile drapes x1: Two layers of sterile drapes made by Hogi Medical, easily available in the hospital, were measured to evaluate their suitability as a mask.4. tissue x1: 1 piece of household tissue "Kihonki" purchased at Seiyu supermarket5. tissue x2_0deg: two samples from 4 above, stacked in the same direction.6. tissue x2_45deg: two samples from 4 above stacked in a 45-degree direction.7. tissue x2_90deg: two samples of the above 4 stacked in a 90-degree direction.8. tissues x3_0deg: three samples from 4 above stacked in the same direction.
実験1-2 ティッシュ・キッチンペーパー、医療用ドレープ
Experiment 1-2: Tissues, kitchen papers and medical drapes一般に手作りマスクの材料として知られているティッシュ・キッチンペーパー及び、米国コネチカット州の医師らが提唱している医療用ドレープ（動画）の捕集性能を調べた。香港の鄺士山化学博士が考案したとされる「HKマスク」の日経BP社記事や、同氏のものと思われるTwitterの情報では、0.3um粒子の捕集効率はティッシュ1枚で45.75%、ティッシュ2枚で69.20%-70.10%、ティッシュ3枚で83.00%、キッチンペーパー1枚で73.70%、キッチンペーパー2枚で89.20-91.30%でありN95マスクの捕集性能に迫るとされている。
結果はFig.1-2の通りで、0.3um微粒子の捕集効率はティッシュペーパー3枚重ねで40%以下、キッチンペーパー2枚重ねで50%以下であり、N95の性能には遠く及ばなかった。なおキッチンペーパー3枚重ね以上は吸気抵抗が明らかに大きくマスクとして使用できないと思われる。本実験で使用した材料が香港で売られている素材と異なる可能性はあるが、少なくとも日本国内では、ティッシュ・キッチンペーパーをマスク材料として使用することは、代替手段が無い限り推奨できない。医療用ドレープについては2枚重ねで0.3um微粒子の捕集効率が60%近くに達し、体感的な吸気抵抗も低く、滅菌処理されており、尚且つ撥水性能が高いことから、病院でマスクの代用品として使う上では有望な素材だといえる。以下で本実験で用いた試料の詳細を述べる。
Fig.1-3 日本政府が配布する予定のマスクの例 (出典: Wikipedia, Detroitinjapan - 投稿者自身による作品, CC 表示-継承 4.0)
Fig.1-3 Examples of masks that the Japanese government plans to distribute (Source: Wikipedia, Detroitinjapan - Contributor's own work, CC Attribution-ShareAlike 4.0)今後の予定
Plans for the future
日本政府が配布するマスク(Fig.1-3)や、手作りの布マスク、その他、誰もが容易に入手できるマスクの性能を評価したいと考えている。新品のマスクをお持ちの方はぜひ実験用に寄付をお願いしたい。
We would like to evaluate the performance of masks distributed by the Japanese government (Fig.1-3), handmade cloth masks, and other masks that are readily available to everyone. If you have a new mask, please donate it for the experiment.評価方法
Evaluation Method評価系の全体像をFig.1-4(a)に、治具類の拡大図をFig.1-4(b)に示す。リオン社製ハンドヘルドパーティクルカウンターKC-52の吸入口部分から順にみて、治具を次の順番で組み立てる。当研究所は自宅キッチンにあるため、標準粒子は準備できず、またB/Gの粒子濃度を一定に保つ設備も無い。そのため環境中に自然に存在するB/Gの粒子と、フィルタを通して得られた粒子のカウント数を比較することで、そのフィルタの捕集効率を推定している。なお、全ての治具は100円ショップで購入し自作した。
- 吸入口ゴムパッキン（ストレッチ運動用ゴムチューブを切断、オレンジ色）
- プラスチック漏斗
- シリコン製フィルタパッキン（鍋用のシリコン蓋の中央部をカット）
- シリコン製フィルタパッキン（鍋用のシリコン蓋の中央部をカット）、3と同じもの
- プラスチック漏斗（2と同じもの）
- 上述の治具2-5を結束させるためのゴムバンド4本
バックグラウンド（以下B/G）の測定時には上記1-6の治具を用いて測定する。フィルタ性能の測定時は、Fig.1-4(c)に示す通り、治具3と4の間に、測定対象のフィルタ試料を挟み込む。
An overview of the evaluation system is shown in Fig.1-4(a), and an enlarged view of the jigs is shown in Fig.1-4(b). Assemble the jig in the following order, starting from the intake part of the KC-52 handheld particle counter made by RION. Since our laboratory is located in the kitchen of our house, we cannot prepare standard particles, and we do not have the facilities to maintain a constant concentration of B/G particles. Therefore, the collection efficiency of the filter is estimated by comparing the number of B/G particles naturally present in the environment with the count of particles obtained through the filter. All jigs were purchased at 100 yen shop and made by myself.1. inlet rubber packing (cut rubber tube for stretching exercise, orange)2. plastic funnel3. silicon filter packing (cut the center of the silicon lid for the pot)4. silicone filter packing (cut the center of the silicone lid for the pot), same as 3.5. plastic funnel (same one as 2)6. four rubber bands for binding the above mentioned jigs 2-5Background (B/G) is measured by using the jig shown in 1-6 above. When the filter performance is measured, the filter sample to be measured is sandwiched between jigs 3 and 4 as shown in Fig. 1-4(c).
Fig.1-4(a) B/G測定時の評価系全体
Fig.1-4(a) Whole evaluation system at the time of B/G measurement
Fig.1-4(b) B/G測定時の治具拡大図
Fig.1-4(b) Enlarged view of the jig for B/G measurement
Fig.1-4(c) フィルタ測定時の評価系全体
Fig.1-4(c) Whole evaluation system at the time of filter measurementリオン社製KC-52の設定（測定条件）は以下の通りとする。
＜測定条件＞
- 測定モード：体積
- 体積：0.283リットル
- 時間：manual
- 平均：3
- 測定対象粒子径：0.3um, 0.5um, 1.0um, 2.0um, 5.0um
- 測定値の表示方法：累積表示、/L
試料となるフィルタの測定は次の14項目からなる手順（プロトコル）で行う。測定値は[0.3umの表示値, 0.5umの表示値, 1.0umの表示値, 2.0umの表示値, 5.0umの表示値]の5つ組で記録する。
＜評価プロトコル＞
- Fig.1-4(a)に示すB/G評価系の構築
- 換気運転のため測定(18 sec.)→データは無視する
- 実測定(18 sec.)→BG1値とする
- Fig.1-4(c)に示すフィルタ評価系の構築
- 換気運転のため測定(18 sec.)→データは無視する
- 実測定(18 sec.)→フィルタ測定値Fとする
- Fig.1-4(a)に示すB/G評価系の構築
- 換気運転のため測定(18 sec.)→データは無視する
- 実測定(18 sec.)→BG2値とする
- 後述する手順11の要件を満たす限り、1回に限り、手順7に戻ってフィルタ試料を入れ替えた実験を行うことができる。
- 上記1-10の手順が3min.以内に行えなかった場合、またはBG1とBG2の値（4つ組の数値のうち1カ所以上）が15%以上異なっていた場合は、手順1に戻り再測定する
- フィルタの捕集効率e = {(1-F/(BG1+BG2)}を各粒子径ごとに計算する
- 手順11の完了から3min.以内に次の測定を行える場合は、手順1を省略し手順4から測定を開始する（その際、次の手順3で行うはずだったBG1値には手順8で得たBG2値を代入する）
- 手順1に戻る、または実験を終了する
※換気運転は0.283リットル*3=0.849リットル分行われるが、漏斗2個を10cmの球体と仮定すると体積は約0.315リットルであるため、単純計算で2回以上の換気が行われることから十分だと考えられる。
※フィルタの測定を行う前後でB/Gが大きく変動した場合を想定して、手順11で両者を比較する他、手順12では平均値を用いて算出する工夫を施した。
- Measurement mode: Volume
- Volume: 0.283 liters
- Time：manual
- Average: 3
- Measured particle size: 0.3um, 0.5um, 1.0um, 2.0um, 5.0um
- Measurement value display method: Cumulative display, /L
*If two funnels are assumed to be 10 cm spheres, the volume is about 0.315 liters, which is considered to be sufficient since more than two ventilation operations are performed by simple calculation.*We compared them in step 11 and calculated the average value in step 12, assuming a large change in B/G before and after the filter measurement.
参考文献
References
明星 敏彦: PM2.5 とマスク, エアロゾル研究特集論文, 28(4), 287-291, 2013, Online
中村 保博ほか: 摩擦帯電による洗浄後エレクトレットフィルタの再帯電, 静電気学会誌 41(1), 33-38, 2017-01, Online
木村 一志: 静電フィルターの機能と応用, 繊維学会誌, 1995年 51巻 8号, 332-339, Online
安藤 勝: エレクトレット不織布の帯電機構とフィルター特性 に関する研究, 名古屋工業大学博士論文, 乙第101号 , 1996-06-05 , Online
川部 雅章ほか: ポリプロピレン不織布エレクトレットフィルタの帯電過程, 静電気学会誌, 33, 5 (2009), 213-219, Online
安藤 勝敏: エレクトレットポリプロピレン不織布の帯電特性 - 静電気学会, 静電気学会誌, 18, 2 (1994), 119-127, Online
安藤 勝敏: 流動帯電によるポリプロピレン不織布のエレクトレット特性, 繊維学会誌, 2007年 53巻 6号, 231-236, Online
松村 芳美: 【参考資料】除染作業等に従事する労働者の放射線障害防止に関する専門家検討会「日本における産業用防じんマスク、医療用マスク及び家庭用マスクの実態」, 平成 24 年 4 月 19 日, 厚生労働省公開資料, Online
松村 芳美: 【基礎講座】インフルエンザウィルスに対するマスクの効果,（社）産業安全技術協会TIISニュース, No.239, 3-7, Online
日本衛生材料工業連合会: マスクの表示・広告自主基準, Online
ASTM規格について
About ASTM Standards
参考：COVID-19対応のため、ASTM (American Society for Testing and Materials) は次の標準文書を暫定的に無償公開しています。
Note: The American Society for Testing and Materials ASTM (American Society for Testing and Materials) is releasing the following standard documents free of charge on a tentative basis to support COVID-19
Masks
ASTM F2299/F2299M-03(2017) Standard Test Method for Determining the Initial Efficiency of Materials Used in Medical Face Masks to Penetration by Particulates Using Latex Spheres
ASTM F2101-19 Standard Test Method for Evaluating the Bacterial Filtration Efficiency (BFE) of Medical Face Mask Materials, Using a Biological Aerosol of Staphylococcus aureus
ASTM F2100-19 Standard Specification for Performance of Materials Used in Medical Face Masks
ASTM F1862/F1862M-17 Standard Test Method for Resistance of Medical Face Masks to Penetration by Synthetic Blood (Horizontal Projection of Fixed Volume at a Known Velocity)
ASTM F1494-14 Standard Terminology Relating to Protective Clothing
Medical Gowns
ASTM F2407 - 06(2013)e1 Standard Specification for Surgical Gowns Intended for Use in Healthcare Facilities
ASTM F1671 / F1671M - 13 Standard Test Method for Resistance of Materials Used in Protective Clothing to Penetration by Blood-Borne Pathogens Using Phi-X174 Bacteriophage Penetration as a Test System
ASTM F1868 - 17 Standard Test Method for Thermal and Evaporative Resistance of Clothing Materials Using a Sweating Hot Plate
ASTM D751 - 19 Standard Test Methods for Coated Fabrics
ASTM D1683/D1683M-17(2018) Standard Test Method for Failure in Sewn Seams of Woven Fabrics
ASTM D1776/D1776M-20 Standard Practice for Conditioning and Testing Textiles
ASTM D5034-09(2017) Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics (Grab Test)
ASTM D5587-15(2019) Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by Trapezoid Procedure
ASTM D5733 - 99 Standard Test Method for Tearing Strength of Nonwoven Fabrics by the Trapezoid Procedure (Withdrawn 2008)
ASTM D6701-16 Standard Test Method for Determining Water Vapor Transmission Rates Through Nonwoven and Plastic Barriers
ASTM F1494-14 Standard Terminology Relating to Protective Clothing
Gloves
ASTM D6319-19 Standard Specification for Nitrile Examination Gloves for Medical Application
ASTM D3578-19 Standard Specification for Rubber Examination Gloves
ASTM D5250-19 Standard Specification for Poly(vinyl chloride) Gloves for Medical Application
ASTM D6977-19 Standard Specification for Polychloroprene Examination Gloves for Medical Application
Hand Sanitizers
ASTM E2755-15 Standard Test Method for Determining the Bacteria-Eliminating Effectiveness of Healthcare Personnel Hand Rub Formulations Using Hands of Adults
ASTM E1174-13 Standard Test Method for Evaluation of the Effectiveness of Health Care Personnel Handwash Formulations
ASTM E3058-16 Standard Test Method for Determining the Residual Kill Activity of Hand Antiseptic Formulations
Respirators
ASTM F3387-19 Standard Practice for Respiratory Protection
※エルタス®は旭化成（株）の登録商標です。
※スプリトップ®は前田工繊株式会社の登録商標です。
*ELTAS® is a registered trademark of Asahi Kasei Corporation.*Spritop® is a registered trademark of Maeda Kosen Co.
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