An persönlicher Schutzausrüstung besteht aktuell aufgrund der COVID-19 Pandemie ein sehr großes Interesse. Immer mehr Menschen tragen verschiedenste Arten von Masken wenn sie sich im öffentlichen Raum bewegen. Da es sehr viele verschiedene Varianten gibt, die für unterschiedliche Einsatzzwecke konzipiert sind, geben wir im Folgenden einen kurzen Überblick über die geläufigsten Produkte.
Wir beschränken uns auf Halbmasken, die den Mund-Nasen-Bereich abdecken. Diese lassen sich grob in folgende Kategorien einordnen:
- Chirurgische Masken
- Halbmasken aus Filtermaterial
- Halbmasken mit auswechselbaren Kassettenfiltern
Die letzten beiden Produkte sind als Partikelfilter so ausgelegt, dass sie den Träger vor schädlichen Substanzen schützen sollen. Chirurgische Masken auf der anderen Seite dienen einem anderen Verwendungszweck. Hier liegt der Fokus auf dem Schutz der Umgebung, z.B. des Patienten oder dem medizinischen Personal, vor ausgeatmeten Tröpfchen des Trägers. Folglich werden diese Masken vorwiegend auf die bakterielle Abscheideleistung und ggf. noch auf Resistenz gegenüber Blutspritzern geprüft.
Eine Zusammenfassung von relevanten Standards und Eigenschaften von üblichen Produkten sind in unten stehender Tabelle aufgelistet.
| Normativer Standard | Filterklasse | Minimale Abscheideleistung / % | |
| Flüssiges Aerosol | Feststoffaerosol | ||
| EN 143 | P1 | 80 | 80 |
| (Partikelfilter) | P2 | 94 | 94 |
| P3 | 99.95 | 99.95 | |
| EN 149 | FFP1 | 80 | 80 |
| (Filtrierende Halbmasken) | FFP2 | 94 | 94 |
| FFP3 | 99 | 99 | |
| ISO 17420-2 / 16900-3 | F1 | 80 | 80 |
| (Filterende Atemschutzgeräte) | F2 | 95 | 95 |
| F3 | 99 | 99 | |
| F4 | 99.9 | 99.9 | |
| F5 | 99.99 | 99.99 | |
| NIOSH 42 CFR Part 84 | N100 | - | 99.97 |
| (Filterende Atemschutzgeräte) | N99 | - | 99 |
| N95 | - | 95 | |
| R100 / P100* | 99.97 | - | |
| R99 / P99 | 99 | - | |
| R95 / P95 | 95 | - | |
| Minimale bakterielle Filterleistung / % | |||
| EN 14683 | Type I** | 95 | |
| (Medizinische Gesichtsmasken) | Type II*** | 98 | |
| Type IIR | 98 (+ spritzresistent) | ||
* P-Filter müssen getestet werden, bis die Abscheideleistung nicht mehr abnimmt
** Type I Masken sind für Patienten gedacht, um eine Verbreitung von Infektionen zu vermeiden
*** Type II und IIR sind für medizinisches Personal gedacht
Lorenz Meßgerätebaus Prüfgeräte, wie das FMP03 bzw. FMP04, können die Abscheideleistung von Partikelfiltern mit verschiedenen flüssigen Aerosolen (Paraffinöl, DOP, DEHS, etc.) bestimmen (in der Tabelle grün hinterlegt). Zusätzlich kann der Atemwiderstand der Maske gemessen werden. Hierfür sind die Grenzwerte in der Tabelle nicht mit angegeben, da es viele Grenzwerte je nach Volumenstrom, Filterbeladung und ggf. vorhandenen Ventilen gibt.
In den folgenden Abschnitten werden weitere Details zu den Testmethoden und allgemein zu Partikelgrößenverteilungen beschrieben.
Partikelfilter
Was genau einen Partikelfilter ausmacht wurde bisher nur grob beschrieben. Das Ziel ist klar: er soll Partikel aus der eingeatmeten Luft entfernen, die sich möglicherweise schädlich auf die Gesundheit auswirken.
Der menschliche Atmungstrakt hat bereits ein eigenes Filtersystem, das größere Partikel zurückhält. Sehr kleine Partikel können jedoch entweder in die oberen Atmungswege oder sogar bis in die Lungenbläschen vordringen. Wenn der Partikeldurchmesser unter ca. 10 – 15 µm liegt erreichen diese Partikel die oberen Atmungswege. Partikel mit Durchmessern unterhalb von 2,5 µm erreichen auch die Lungen. Entsprechend wird in der Umweltmesstechnik partikuläre Materie in PM10 (2,5 – 10 µm) und PM2.5 (< 2,5 µm) eingeteilt. Als Größenvergleich: Bakterien haben typischerweise eine Größe von 0,5 – 3 µm während Viren deutlich kleiner sind, mit dem größten Anteil zwischen 0,02 und 0,3 µm.
Filterprinzipien
Filtermaterial besteht aus vielen Lagen von sehr feinen Fasern, die regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein können. Luft kann diese Gitter problemlos durchdringen während Partikel mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gestoppt werden. Für große Partikel stellt das Filter eine Art Sieb dar wohingegen kleine Partikel auf andere Weise gestoppt werden (Diffusion, elektrostatische Aufladung). Zwischen diesen beiden Extremen gibt eine bestimmte Partikelgröße, die am leichtesten passieren kann (im Englischen: Most Penetrating Particle Size, MPPS). Typischerweise ist diese im Bereich von 100 bis 300 nm. Bei Filtertests ist es entsprechend wichtig eine möglichst große Anzahl an Partikeln in diesem Bereich zu haben.
Partikelgrößenverteilung
Partikelfilter werden mit Testaerosolen vermessen, die entweder feste oder flüssige Partikel mit einer bestimmten Größenverteilung enthalten. Verschiedene Normen verlangen verschiedene Substanzen und leicht abweichende Verteilungen, die aber in der Regel im Bereich der MPPS liegen.
Typische Aerosolgeneratoren erzeugen Aerosole, in denen die Partikeldurchmesser (logarithmisch) normalverteilt sind, die vertraute Gauß’sche Glockenkurve. Sie lässt sich durch die Lage des Maximums und die Verteilungsbreite (Standardabweichung) beschreiben. Intuitiv gibt man die Anzahl der Partikel mit jeweiligen Durchmesser an, was folglich “Anzahlverteilung” genannt wird. Das Maximum heißt in dieser Darstellung “medianer Anzahldurchmesser” (CMD, im Englischen “count median diameter”).
Es gibt jedoch auch andere Definitionen, wie z.B. die Massenverteilung. In den Anfängen der Aerosolmesstechnik gab es noch keine optischen Partikelzähler, weswegen die Wissenschaftler die Größeneinteilung gravimetrisch durch Wägen bestimmten. Entsprechend war, und ist, die Massenverteilung weiterhin von großem Interesse. Es ist sehr wichtig die beiden Verteilungstypen klar zu unterscheiden. Das Maximum der Massenverteilung heißt analog “medianer Massendurchmesser” (MMD, im Englischen “mass median diameter”). Für ein und dasselbe Aerosol ist der MMD stets größer als der CMD. Um wie viel hängt von der Verteilungsbreite ab.
Testmethoden
Abscheideleistungen werden mit einem Testaerosol gemessen, das man durch das Testobjekt leitet. Fotometer vor und hinter dem Filter bestimmen die Aerosolkonzentration, was eine Berechnung der Filtereffizienz erlaubt. Flüssige Aerosole bestehen typicherweise aus Paraffinöl, DOP, PAO oder DEHS. Feststoffaerosole in den oben genannten Normen bestehen immer aus Natriumchloridpartikeln.
Der Ein- und Ausatemwiderstand wird mit einem Differenzdrucksensor gemessen, der am Filterhalter angeschlossen ist. Einige Messgeräte, wie unser FMP04, können beide Widerstände in einem Durchgang messen, indem der Luftstrom durch pneumatische Ventile einfach umgekehrt wird.
Die bakterielle Filterleistung für medizinische Masken werden mit wasserbasiertem Aerosol bestimmt, dessen mittlere Partikelgröße im Bereich von (3,0 ± 0,3) µm liegt. In den Tröpfchen werden lebende Staphylococcus aureus Bakterien transportiert. Schaffen es diese durch die Maske werden sie anschließend auf Agarschalen abgeschieden und inkubiert. Auszählen der Kolonien und Vergleich mit Kontrollmessungen ergibt die Filterleistung. Ein allgemeiner Partikelfiltertest wird nicht durchgeführt.