不織布マスクのフィルターが網目よりも小さいウイルスを捕獲できる仕組みとは？不規則な繊維の多層構造と静電気力による説明

サージカルマスクなどを含む一般的な不織布のマスクにおけるマスクのフィルターの網目の大きさは、だいたい3マイクロメートルくらいか目が細かいタイプのマスクでも1マイクロメートルのほどの大きさはあるのに対して、

インフルエンザウイルスやコロナウイルスといった一般的な呼吸器系のウイルスの大きさはだいたい0.1～0.3マイクロメートルであると考えられています。

しかし、その一方で、

マスクの防護性能の基準にあたるN95やPFE95といった規格においては、平均的な粒子の大きさが直径0.1マイクルメートルの微粒子についても95％以上の捕集率があることが認められています。

それでは、こうしたN95やPFE95の基準を満たすマスクのフィルターは、自分の網目の大きさよりも10分の1以下の小さなウイルス粒子をいったいどのような仕組みで捕獲していると考えられることになるのでしょうか？

不織布における不規則な繊維の構造と多層構造のフィルターによる微粒子の捕獲の仕組み

そうすると、

こうしたサージカルマスクなどの不織布マスクのフィルターにおける微粒子の捕集率の高さを説明する仕組みとしては、

まずは、フィルターの役目をしている不織布と呼ばれるマスクの素材そのものの構造のうちにその大きな理由が求められることになります。

ガーゼマスクや布マスクなどとは違い、繊維が規則的に織り込まれていない不織布のマスクにおいては、マスクのフィルターの全体的な構造は、目の細かい繊維が不規則に敷き詰められた構造となっていると考えられることになります。

そして、

そうした不規則に並んだ繊維の網目の大きさは、大きいものでは1マイクロメートルから3マイクロメートルにはなるものの、

その他の部分では、より繊維が密に詰まっている箇所もあり、そうした繊維の網目のより細かい部分へと張り込んできた微粒子は、全体としてのマスクの網目の大きさよりも小さいウイルスなどの微粒子であっても一定の割合で捕獲されることになると考えられることになります。

そして、さらに、

こうしたサージカルマスクなどの不織布マスクにおいては、通常の場合、そうした繊維の配列が細かくランダムに並んでいる不織布のフィルターが三層から四層くらいの多層構造となる形で重ねられていることが多いため、

第一層の不織布の網目を通過した微粒子でも、第二層の細かい繊維の部分で捕獲され、第二層の不織布の網目を通過した微粒子も、第三層の細かい繊維の部分で捕獲されるといった形で、

100％の微粒子の捕集率となることはないものの、それぞれの階層のフィルターを通過していく微粒子が一定の割合で捕獲されていくことになると考えられることになるのです。

人工的な化学繊維の間で働く静電気力による微粒子の捕獲の仕組み

また、

こうしたサージカルマスクなどの不織布マスクにおける微粒子の捕獲の仕組みとしては、その他にも、

マスクのフィルターを構成する繊維の間で発生する静電気による微粒子の捕獲の仕組みも挙げられることになります。

マスクのフィルターを構成しているポリプロピレンやポリエステルやポリエチレンなどいった人工的な化学繊維の間では、

マスクを製造する段階において、密度が高くなるように繊維を敷き詰めていく際に、そうした細かい繊維同士の間で、すでに一定程度の静電気の帯電が生じていくことになると考えられることになります。

そして、

こうしたマスクのフィルターの内部に蓄積されている静電気は、ウイルス粒子などの微粒子が繊維の近くを通過しようとする際に、そうした微粒子を近くに引き寄せて繊維に吸着させていく作用を示すことになると考えられることになるのです。

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以上のように、

N95やPFE95のといった規格を満たしているサージカルマスクなどの不織布マスクにおいては、

マスクのフィルターの役目をしている不織布そのものの密度が高い不規則な繊維の構造と、

そうした繊維の密度が高い不規則な構造を持つ不織布が三層から四層以上にわたって重ねられた多層構造のフィルター、

そして、そうした不織布を構成している人工的な化学繊維の間で働く静電気力による微粒子の吸着効果という三つの仕組みによって、

少なくとも、ウイルスなどの微粒子を正面から受け止めることになるマスクのフィルター部分においては、

全体的なマスクの網目の大きさよりもはるかに小さいウイルスなどの微粒子についても、一定程度の防護性能を示す理由が説明されることになると考えられることになるのです。

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次回記事：マスクの着用と手洗いを両方同時に行うことがインフルエンザやコロナウイルスの予防対策に重要である理由

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