KBRN tehditlerine karşı koruyucu maske filtrelerinin yerli üretimi ve uygulaması

KBRN terimi, kimyasal, biyolojik, radyolojik ve nükleer maddelerin insanlar ve çevre için neden olduğu tüm tehlikeli durumları ifade eden bir terim olarak kullanılmaktadır. Kimyasal savaş ajanları, canlıları etkisiz hale getirmek, insanları yaralamak ve öldürmek, gıda kaynaklarını kirletmek ve yok etmek, kaos ve paniğe neden olmak için kullanılan tüm kimyasalları kapsamaktadır. Kimyasal savaş ajanları, ekonomik ve stratejik açıdan önemli hedefleri bozmaktadır ve askeri ve sivil personeli koruyucu kıyafet giymeye ve koruyucu ekipman kullanmaya zorlamaktadır. KBRN ajanlarına karşı tüm vücut koruması gerekli olsa da solunum yolu son derece hassas olduğundan dolayı solunum koruması en önemli güvenlik önlemidir. Tez kapsamında KBRN nanofiber filtreler üç (3) farklı grupta toplam altı (6) adet olacak şekilde elektro-eğirme tekniği kullanılarak üretilmiştir. Selüloz asetat (CA) ve selüloz asetat + polivinil prolidon (CA + PVP) nanofiberler kaba filtre kağıdı, medikal krep kağıt ve melt-blown kumaş üzerine kaplama yapılarak üretilmiştir. Nanofiber yapılı KBRN filtrelerinin yüzey morfolojisi SEM ve yapıdaki fonksiyonel gruplar FTIR yöntemi ile araştırılmıştır. SEM görüntülerinde boncuksuz nanolif oluşumu ile yüzeyin homojen bir şekilde kaplandığı gözlenmiştir. CA filtrelerin ortalama fiber çapları 377 ± 196 nm ve CA + PVP filtrelerin ortalama fiber çapları 601 ± 209 nm bulunmuştur. FTIR spektrumunda CA ve CA + PVP'ye ait karakteristik pikler görülmüştür. Filtrelerin esneklik, mekanik kuvvet ve elastiklik gibi mekanik özellikleri EN ISO 134934–1: 2013 standartlarına uygun olacak şekilde çekme test cihazında (Shimadzu, AGS-X 10 kN) gerçekleştirilmiştir. Melt-blown kumaş nanofiberler üzerinde çekme dayanımını ve birim şekil değiştirme miktarını arttırmıştır. Geliştirilen KBRN filtrelerinde hava geçirgenliği özelliklerinin belirlenmesi TS 391 EN ISO 9237 standartlarına uygun olacak şekilde geçirgenlik test cihazı (Prowhite Airtest II) ile test edilmiştir. Meltblown kumaşla kaplanan filtreler nispeten daha yüksek hava geçirgenliği sergilemiştir (29 m3h-1). KBRN filtrelerinin filtrasyon verimliliği ve basınç düşüşü, otomatik bir hava filtresi test cihazı (8130A modeli, TSI Inc.) ile ölçülmüştür. Standart olarak kabul edilen yüksek verimli bir filtre, %90 − %100 PM2,5 (2,5 μm'den küçük veya eşit boyuttaki parçacıklar) giderme verimliliği sergilemesi gerekmektedir. Meltblown kumaş CA + PVP nanofiberlerle kaplandığında parçacık tutuş verimi (PM0.3) %93.19'a yükselmiştir. KBRN filtrelerinin formaldehit (HCHO) adsorpsiyon kapasitesi UV-Vis spektrofotometre (Shimadzu, UV-1900i) kullanılarak ölçülmüştür. En iyi adsorpsiyon, meltblown kumaş + CA + PVP nanofiber filtrelerde bulunmuştur. KBRN filtrelerinin sağlıklı bronş epitel hücreleri (BEAS-2B) üzerindeki toksik etkileri araştırılmıştır. KBRN nanofiber filtrelerinin BEAS-2B hücrelerinde toksik etkilerinin olmadığı bulunmuştur. Tüm gruplarda en yüksek doz olan 200 µg/mL göz önüne alındığında hücrelerin canlılığı %50'nin altına düşmemiştir. Ancak KBRN filtreleri formaldehit buharına maruz kaldığında toksik etkileri artmıştır. Filtreler formaldehit buharına maruz bırakıldığında formaldehitin kendi doğasından gelen toksikliği nedeniyle hücre canlılıkları azalmıştır. Diğer partikül tutma, adsorpsiyon deneyleri gibi çalışmaların sonuçlarına bakıldığında filtrelerin formaldehiti tuttuğunu söylemek mümkündür. KBRN filtrelerinin antimikrobiyal aktivitesini belirlemek için Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Staphylococcus epidermis bakterileri kullanılmıştır. Filtrelerin anti-bakteriyel özellik sergilediği gözlenmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen KBRN filtreleri ortam havası filtrelemenin yanı sıra kişisel koruyucu ekipman olan yüz maskelerinde de filtre olarak kullanılma potansiyeline sahiptir ve KBRN alanında potansiyel bir yerli ve milli filtre adayı olarak geliştirilmeye açıktır.

The term CBRN refers to all dangerous situations caused by chemical, biological, radiological, and nuclear substances for humans and the environment. Chemical warfare agents include all chemicals used to incapacitate living things, injure and kill people, pollute and destroy food sources, and cause chaos and panic. Chemical warfare agents disrupt economically and strategically important targets and force military and civilian personnel to wear protective clothing and use protective equipment. Although whole-body protection against CBRN agents is necessary, respiratory protection is the most important safety measure because the respiratory tract is extremely sensitive. Within the scope of the thesis, CBRN nanofiber filters were produced using the electrospinning technique in three (3) different groups, comprising six(6) pieces. Cellulose acetate (CA) and cellulose acetate + polyvinyl pyrrolidone (CA + PVP) nanofibers were produced by coating on coarse filter paper, medical crepe fabric, and melt-blown fabric. The surface morphology of nanofiber CBRN filters was investigated by SEM and the functional groups in the structure were investigated by the FTIR technique. In SEM images, it was observed that the surface was coated homogeneously with the formation of beadless nanofibers. The average fiber diameters of CA filters were found to be 377 ± 196 nm and the average fiber diameters of CA + PVP filters were 601 ± 209 nm. Characteristic peaks of CA and CA + PVP were seen in the FTIR spectrum. The mechanical properties of the filters such as flexibility, mechanical strength, and elasticity were evaluated in a tensile tester (Shimadzu, AGS-X 10 kN) in accordance with EN ISO 134934–1:2013 standards. Melt-blown fabric increased the tensile strength and unit deformation of nanofibers. The determination of the air permeability properties of the developed CBRN filters was tested with the permeability tester (Prowhite Airtest II) in accordance with TS 391 EN ISO 9237 standards. Filters covered with melt-blown fabric exhibited relatively higher air permeability (29 m3h-1). The filtration efficiency and pressure drop of CBRN filters were measured with an automatic air filter tester (model 8130A, TSI Inc.). A high-efficiency filter accepted as a standard must exhibit a removal efficiency of 90% − 100% PM2.5 (particles less than or equal in size to 2.5 μm). When the meltblown fabric was coated with CA + PVP nanofibers, the particle retention efficiency (PM0.3) increased to 93.19%. The formaldehyde (HCHO) adsorption capacity of CBRN filters was measured using the UV-Vis spectrophotometer (Shimadzu, UV-1900i). The highest adsorption capacity was observed in melt-blown fabric + CA + PVP nanofiber filters. The toxic effects of CBRN filters on healthy bronchial epithelial cells (BEAS-2B) have been investigated. CBRN nanofiber filters have been found to have no toxic effects on BEAS-2B cells. Considering the highest dose of 200 μg/mL in all groups, the viability of the cells did not fall below 50%. However, when CBRN filters were exposed to formaldehyde vapor, their toxic effects increased. When the filters were exposed to formaldehyde vapor, their cell viability decreased due to the inherent toxicity of formaldehyde. Based on the results of other studies on particle retention and adsorption, it can be concluded that the filters that retain formaldehyde. Staphylococcus aureus, Escherichia coli, and Staphylococcus epidermis bacteria were used to determine the antimicrobial activity of CBRN filters. It has been observed that the filters exhibit anti-bacterial properties. As a conclusion, the developed CBRN filters have the potential to be used as filters in face masks, which are personal protective equipment, as well as ambient air filtration, and are open to development as a potential domestic and national filter candidate in the field of CBRN.