Cómo se fabrica el vellón filtrante para mascarillas

Jun 19, 2023

Los coronavirus, como otros virus, son diminutos, demasiado pequeños para quedar atrapados en la mayoría de los textiles. Para evitar que penetren en el filtro de la máscara, los ingenieros deben utilizar varios trucos físicos.

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Siempre que se juntan varias personas en estos tiempos de coronavirus, usan mascarillas. Las mascarillas médicas de protección buco-nariz y otras mascarillas protectoras de alta calidad siempre llevan incorporado un vellón filtrante especial. Este vellón se fabrica mediante el llamado proceso de soplado por fusión.

La empresa familiar Reifenhäuser, con su filial Reicofil en Troisdorf, cerca de Bonn, la antigua capital alemana, es uno de los líderes mundiales en el mercado de máquinas capaces de fabricar este tipo de telas no tejidas especiales.

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Detlef Frey es jefe de investigación y desarrollo de Reicofil. Nos abre la puerta al centro técnico donde él y sus colegas investigan la producción de los llamados textiles no tejidos, es decir, tejidos hechos de fibras sintéticas que no necesitan ser hilados ni tejidos previamente.

Planta piloto en modo crisis

"Aquí tenemos 2.000 metros cuadrados y tres instalaciones de producción. Todo lo que hemos construido aquí corresponde a las plantas que producen fuera de las instalaciones del cliente", afirma Frey.

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"De hecho, instalamos las instalaciones aquí para poder ayudar a los clientes a desarrollar productos. Nuestros clientes ya pueden utilizar in situ todo lo que hacemos aquí con los procesos de fabricación. Sin embargo, debido a la pandemia de coronavirus, hemos decidido que ahora usaremos el instalaciones de laboratorio para producir material filtrante para mascarillas".

Y ese material está destinado a ser capaz de eliminar todo tipo de contaminantes del aire que respira la gente, no sólo virus y bacterias, sino también abrasivos u otros polvos, pequeñas gotas de aerosol o fibras de asbesto. Para que esto funcione, el vellón debe tener una estructura extremadamente fina.

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Durante la producción, primero se funde el plástico polipropileno (PP) hasta que tenga aproximadamente la consistencia de miel líquida. Luego fluye a través de pequeñas boquillas y forma debajo un hilo fino como una oblea. Pero todavía está lejos de ser tan delgado como lo será más adelante. Para lograr este grado final de esbeltez, el hilo fundido se sopla, en lo que a menudo se denomina proceso de soplado en fusión.

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Hilos nanométricos, pero extremadamente duraderos

"Nuestro polipropileno tiene un punto de fusión de 160 grados centígrados. El aire está a unos 250 grados. El aire caliente y el material termofusible se encuentran allí bajo una aceleración extrema", afirma Frey.

El aire golpea los hilos de plástico a unos 300 metros (980 pies) por segundo. En una atmósfera normal, esa es casi la velocidad del sonido. Sin embargo, debido a que la corriente de aire golpea los hilos de plástico desde dos lados y se producen estados de vórtice caóticos en un área muy pequeña, la velocidad relativa que actúa sobre los interminables hilos de plástico líquido se multiplica.

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Durante un breve período, se aceleran a casi 40.000 kilómetros por hora (24.855 millas por hora), más rápido que la velocidad orbital de la Estación Espacial Internacional (ISS). Esto hace que los hilos, también conocidos como filamentos, sean increíblemente delgados.

"Al mismo tiempo, debemos evitar que los filamentos se rompan", afirma el ingeniero Frey. "Es fascinante pensar que este plástico puede resistir estas condiciones y que podemos fabricar un producto de este tipo con una calidad constante".

Control de calidad en el laboratorio y las máquinas.

No es fácil, añade Alexander Klein, que trabaja como ingeniero de desarrollo en el centro técnico. "Hay que ajustar los ajustes de forma que se obtenga un vellón homogéneo y sin perturbaciones, con filamentos continuos y sin roturas, para que al final tengas un producto homogéneo con la finura de las fibras", afirma.

Por eso es importante controlar el proceso de producción. "Para ello utilizamos sistemas de inspección que detectan ópticamente posibles imperfecciones en el producto", afirma Klein. "Además, tomamos periódicamente muestras de material y comprobamos en el laboratorio la permeabilidad al aire y la tasa de separación en el filtro, para cumplir con las especificaciones de la clasificación respectiva".

Además, los sensores también miden automáticamente la permeabilidad al aire del material filtrante terminado. "Mediante pruebas podemos detectar si hay algún cambio que indique que algo en el proceso no funciona como debería", afirma el ingeniero Klein.

Y esto puede suceder fácilmente, porque los hilos todavía están casi fluidos y bastante pegajosos cuando se mezclan con el aire caliente.

"Estos movimientos caóticos nos ayudan a formar una red enredada que forma una red, y como el polímero aún no se ha enfriado completamente, incluso se pega en la cinta de la pantalla. Esta red tiene un tamaño de poro físico de aproximadamente 10 micrómetros, tal vez un un poco más pequeño", explica Frey, jefe de investigación.

Los filamentos que forman la malla tienen sólo medio micrómetro de espesor. Con un solo hilo de 7 gramos de este diámetro, por ejemplo, se podría abarcar toda la Tierra. A su vez, un hilo de este tipo sería suficiente para entre dos y cuatro mascarillas, dependiendo de la calidad de la mascarilla.

Los virus son mucho, mucho más pequeños aún

Aunque ya es muy fina, esta red no tejida aún estaría lejos de ser suficiente para proteger los virus del aire, simplemente porque son muy diminutos. Las aberturas en el material filtrante son aproximadamente cien veces más grandes que el virus, con sus 0,12 micrómetros.

Por eso los ingenieros utilizan trucos físicos, como explotar la tendencia de las partículas pequeñas a adherirse a las superficies.

"Uno es la difusión causada por el movimiento molecular browniano, combinado con la inercia. La partícula se adhiere a la superficie a medida que viaja. Golpea un filamento y queda atrapado en él debido a fuerzas de fricción o intermoleculares", explica Frey. "Las fuerzas entre moléculas son importantes cuando pensamos en términos de virus".

Pero eso todavía no sería suficiente para filtrar los virus del aire. Los ingenieros se benefician del hecho de que los virus suelen tener superficies grasosas. "El polipropileno es lipófilo, lo que significa que atrae la grasa", dice. "Cualquier medio que tenga una superficie grasosa se adherirá muy fácilmente a estas sustancias".

Atracción electrostática

Pero incluso eso dejaría mucho al azar. Por eso Frey y sus colegas contribuyen aún más al proceso de filtrado: "Tenemos que introducir una fuerza adicional que separe los virus y los atraiga. Se trata de fuerzas electrostáticas que actualmente utilizamos ampliamente".

Estas fuerzas se utilizan de la siguiente manera: Durante la producción, el vellón acabado pasa sobre un rodillo puesto a tierra. En el otro lado se encuentran numerosos electrodos de alto voltaje. "Una tecnología relativamente sencilla pero muy eficaz", afirma el ingeniero Frey. "Se aplican treinta kilovoltios y una pequeña corriente fluye a través del aire ionizado".

Después, el vellón se siente como una fregona cargada electrostáticamente, como las que se pueden comprar hoy en día en muchas farmacias para quitar el polvo. El material filtrante funciona de la misma manera que ellos.

"Así que pongo una carga electrostática en el producto, tengo una cierta polaridad y luego puedo usarla para ejercer fuerzas -y aquí viene la limitación- sobre partículas que de alguna manera son conductoras. Pero mientras haya agua, son conductoras". dice Frey.

Esto se aplicaría, por ejemplo, a las gotas de aerosol que alguien expulsa al toser. Mientras los virus ya estén adheridos a esas gotas o nadando en ellas, el filtro las atrapa, incluso si son pequeñas.

Sin embargo, esto significa que, en teoría, los virus que flotan libremente en el aire aún podrían atravesar el filtro si ninguna de las otras fuerzas físicamente efectivas los frena. Pero en la práctica, ésta es probablemente la excepción. Y cantidades tan pequeñas de virus no juegan un papel muy importante en las infecciones.