Microfibres et forces de Van der Waals, comment les masques chirurgicaux et ffp2 protégent du Covid-19

Alors que le déconfinement s’approche à grands pas, les masques, bientôt obligatoires dans les transports, les écoles ou dans certains commerces, vont devenir de plus en plus communs un peu partout. Contrairement aux masques à usage non sanitaire, appelés aussi masques barrières ou alternatifs, qui filtrent particules et virus par tamisage au moyen de fibres proches les unes des autres, les masques chirurgicaux et FFP2 sont conçus sur un principe différent. Ils font appel à des matériaux filtrants comme la microfibre de polypropylène, une résine plastique hydrophobe dont les filaments ont généralement un diamètre de 5 micromètres et forment des pores de tailles variant entre 10 et 20 micromètres. Les particules se collent durablement à ces filaments grâce à des interactions électriques de faibles intensité, générées à courtes distances entre les molécules. Ces principes de la thermodynamique sont appelés « forces de Van der Waals ».

Dimensions des aérosols

• Gouttelette : 1 à 100 micromètres
• Bactérie : 0,5 à 5 micromètres
• Virus : 0,02 à 0,3 micromètre
• SARS-CoV-2 : 0,12 micromètre

Lorsque l’on parle, tousse ou éternue, nous produisons des aérosols, c’est-à-dire des particules de tailles diverses, envoyées à des vitesses de 10 mètres par seconde pour la toux et 50 mètres par seconde pour l’éternuement. Ces projections respectent les lois d’un écoulement laminaire, c’est-à-dire que, lorsqu’elles arrivent à proximité d’un obstacle, comme la fibre d’un masque, les lignes de courant d’air le contournent puis se rejoignent à nouveau derrière.

Schéma d'un écoulement laminaire contournant un obstacle.

Effets de diffusion, d'interception et d'inertie : les trois mécanismes de capture des particules

En fonction de leur taille, les particules peuvent suivre plus ou moins fidèlement cette trajectoire. Les masques chirurgicaux et FFP2 sont capables d'agir dans trois cas de figure. Les particules inférieures à 0,1 micromètre ainsi que, dans une moindre mesure, celles comprises entre 0,1 et 0,5 micromètre, ont une trajectoire aléatoire, appelée mouvement brownien. Elles peuvent entrer en contact avec le filtre et y adhérer grâce à la force de Van der Waals. Ce mécanisme est appelé effet de diffusion.

Généralement, à partir de 0,1 micromètre, les particules vont plutôt suivre les courants d’air. Alors, si la distance séparant la fibre de la ligne de courant qui porte la particule est inférieure au rayon de celle-ci, la particule percute le filament. Elle s'y retrouve piégée par la force de Van der Waals. Il s'agit de l'effet d’interception.

Enfin, parmi ces particules qui suivent les lignes de courant, les plus grosses (à partir de 0,5 micromètre) ne peuvent pas contourner le filament à cause de leur masse. Elles « foncent » dessus et y restent collées par la force de Van der Waals. C'est l'effet d'inertie.

A ces trois mécanismes s’ajoutent les forces électrostatiques, qui font dévier les aérosols viraux de leur trajectoire et les attire vers la fibre.

Multiplier les couches pour augmenter l'efficacité de filtration

L’efficacité de la filtration dépend de celle de la combinaison de ces trois mécanismes en fonction de la taille des particules filtrées. Les particules entre 0,1 et 0,5 micromètre sont les plus difficiles à filtrer car elles peuvent suivre ou non les lignes de courant. Par conséquent, ni la capture par interception ni celle par diffusion ne filtre 100% des particules.

L'efficacité de la capture des particules varie selon le diamètre de la particule et résulte de ces mécanismes

FFP1= Filtration : >80 % au minimum. Taux de fuite vers l'intérieur : 22 % au max
FFP2=Filtration de >94 % au min
FMP3 = Filtration >98 % au min pic.twitter.com/G4bwTAW4c1

— Thibault Fiolet ???????? (@T_Fiolet) March 2, 2020

C’est pourquoi le masque chirurgical, composé d’une seule couche filtrante en microfibre de polypropylène et peu perméable à l’air sur les côtés, n’est utile que pour éviter que le porteur contamine son entourage.

Le masque FFP2, lui, protège son porteur d’une contamination extérieure. En effet, pour compenser le fait que le filtre n’est pas optimal, on juxtapose plusieurs couches :

1. La couche externe pré-filtrante en polypropylène non tissé
2. La couche filtrante en polypropylène non tissé
3. La couche support en acrylique
4. La couche interne en polypropylène non tissé pour le confort du visage

Pour en savoir plus sur les critères de filtration de chaque catégorie de masques, découvrez notre article « Non sanitaires, chirurgicaux et de protection... Tout savoir sur les masques et leur efficacité » .