過濾式消防自救呼吸器孔塞改進研究

摘要：針對過濾式消防自救呼吸器孔塞大多存在拔脫困難的問題，通過力學測試分析了孔塞拔脫力與人手側指捏最大靜摩擦力的匹配性。實驗表明，進氣口孔塞拔脫力顯著大于出氣口，近半數男性和超八成女性存在孔塞拔脫失敗風險?；诖?，對現有標準提出增加孔塞拔脫力小于40N的修訂建議。同時，提出孔塞結構設計（凹槽倒角優化）、人機工程（菱形滾花處理）及工藝處理（惰性潤滑油涂覆）三個維度的系統性改進方案，以減小孔塞拔脫阻力并提升密封可靠性。

關鍵詞：消防自救呼吸器孔塞；密封；濾毒罐；拔脫力；最大靜摩擦力

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）05-0019-03

發生火災時，燃燒不僅會產生高溫，也會產生一氧化碳、濃煙等有害氣體。而過濾式消防自救呼吸器濾毒罐內的觸媒（霍加拉特）通過化學反應，可將一氧化碳轉化為無毒的二氧化碳。其中，觸媒的儲存條件較為關鍵，需嚴格控制溫濕度及氣體接觸條件，否則極易失活。采用TPU材質的孔塞不僅具有耐磨、耐水解、抗撕裂等特點，還具備防滑、加工性能優良等優點[1-2]，因此，被廣泛應用于濾毒罐進出氣孔的密封。為了保證觸媒活性，廠家往往追求過緊密封，卻忽視了孔塞拔脫困難的問題。目前，GB21976.7—2012《建筑火災逃生避難器材第7部分：過濾式消防自救呼吸器》標準要求，呼吸器過濾裝置與防護頭罩之間連接的軸向拉力不小于50N，但對孔塞的拔脫力暫無規定。因此，有必要對濾毒罐的孔塞進行系統的力學測試，并基于此提出標準的修訂建議與孔塞的改良措施。

1 孔塞拔脫力測試與分析

目前，市售呼吸器主要采用兩種主體結構形式：一種是密封式濾毒罐與軟質半面罩的組合，見圖1；另一種是開放式濾毒罐與帶有下密封蓋的硬質半面罩的組合，見圖2。鑒于后者市場占有率較高，本研究將聚焦于此結構展開。

隨機抽取市場上50具呼吸器進行孔塞拔脫力測試，測試結果為進氣口孔塞拔脫力（35.1～73.3N），出氣口孔塞拔脫力（23.8～57.9N），見圖3。

使用R語言軟件對進出氣口孔塞拔脫力差值進行顯著性檢驗（顯著水平α=0.05）：①通過Shapiro-Wilk檢驗，觀察到當前樣本統計量（或更極端結果）的概率P=0.202＞0.05，差值數據服從正態分布（或近似正態分布），滿足t檢驗（用于判斷兩樣本間均值差異是否顯著的假設檢驗方法）前提。②t檢驗，原假設H0：進氣口與出氣口拔脫力的均值差μ≤0、備擇假設H1：均值差μ＞0，經R語言計算得t≈10.8（t統計量，用于衡量樣本均值與總體均值之間差異程度的標準化統計量），P≈0（自由度n=49）＜0.05，故拒絕假設H0，認為進氣口孔塞拔脫力顯著大于出氣口。

進出氣口孔塞拔脫力差異主要由濾毒罐和半面罩材料的硬度、粗糙度決定。

濾毒罐的主要材質是403不銹鋼，半面罩的主要材質是ABS塑料。由圖1和圖2可知，進氣口位于濾毒罐外壁，而出氣口則位于硬質半面罩的下密封蓋。由于濾毒罐的硬度要遠高于塑料半面罩，導致濾毒罐進氣孔壁在孔塞插入時幾乎不發生形變，從而產生更高的徑向壓力，增大了孔塞與孔壁間的摩擦力。而ABS塑料半面罩因材質較軟，孔壁易發生彈性變形，插入孔塞時孔壁向外擴張，從而導致徑向壓力和摩擦力降低。濾毒罐進氣孔壁的粗糙度要遠大于光滑的塑料半面罩，直接導致進氣口孔塞需更大的力才能克服界面摩擦，實現拔脫。

2 側指最大靜摩擦力測試與分析

2.1" 側指最大靜摩擦力測試

拔脫孔塞的主要手型是側指捏型，捏力測試結果會因測試方法、測試姿勢、被測者的年齡、性別等因素的不同而有所差異[3]。其中，性別差異對捏力影響顯著，如我國成年人群（18～60歲，樣本量n=768）指側捏力研究表明，男性（10.1kg）顯著高于女性（6.9kg）[4]。因此，男性側指捏與孔塞作用的最大靜摩擦力要高于女性。為進一步驗證此結論，選取筆者單位男女員工各10名對孔塞進行拔脫測試。受試者采用側指捏法，對孔塞開啟端施加最大捏力并水平拉動直至手指滑脫，見圖4。

2.2" 結果分析

實測數據見表1，男性側指捏產生的最大靜摩擦力平均值明顯高于女性，驗證了上述結論。

由于進氣口孔塞拔脫力顯著大于出氣口，因此，上述側指捏拔脫測試對象主要針對進氣口孔塞。為確保順利完成孔塞拔脫操作，核心對比指標為：側指捏與進氣口孔塞作用的最大靜摩擦力均值需大于進氣口孔塞拔脫力。結果顯示，在50具呼吸器中，有24具（約占50%）進氣口孔塞拔脫力超過男性側指捏最大靜摩擦力閾值，女性達41具（約占比80%）。這表明火災發生時，近半數男性及超八成女性可能因無法及時拔除孔塞而喪失逃生機會，而女性群體風險尤為突出。然而，現有標準對孔塞拔脫力并無具體規定，參考女性側指捏最大靜摩擦力均值40.9N，建議標準增加孔塞拔脫力小于40N的規定。

3 孔塞的改進

目前，市場上濾毒罐密封方式仍以孔塞為主，雖有其他替代方案，但應用較少且存在明顯局限性。其中，圖5所示的圓形膠紙密封，雖成本較低且無孔塞拔脫風險，但存在密封性能弱、易脫落的風險；圖6所示的濾毒罐采用進氣端多孔位結構設計，雖可降低吸氣阻力并提升觸媒利用效率[5]，但會導致濾毒罐主體暴露面積增加，需配套高阻隔性的鋁箔真空密封袋加強密封，導致生產成本顯著上升。綜合權衡濾毒罐密封的可靠性與經濟性，孔塞仍是行業首選方案。

本研究將從孔塞結構設計、人機工程及工藝處理3個維度提出系統性改進方案。

1）結構設計，在孔塞的凹槽下邊緣增設倒角結構，減少拔脫時凹槽下邊緣與濾毒罐內壁的接觸面積，通過分散局部應力以減小拔脫阻力，見圖7。

2）人機工程，在孔塞手持區域的正反表面做菱形滾花處理，通過增大表面粗糙度，提高摩擦系數，從而增加手指與孔塞表面的摩擦力，見圖8。

3）工藝處理，在孔塞與濾毒罐的接觸面涂覆微量惰性潤滑油，不僅可以降低摩擦，減小拔脫阻力，還具有填充微小間隙、輔助密封的作用。

4 結束語

本研究系統測試與分析了濾毒罐孔塞拔脫力過大的關鍵問題。不僅提出孔塞拔脫力小于40N的標準修訂建議，還提出3個維度的孔塞改進方案。雖然本研究首次建立孔塞拔脫力與用戶操作風險的關聯模型，取得了一定的成果，但也有諸多不足。如實驗樣本量與多樣性不足、影響孔塞拔脫力因素分析不全面、改進后的措施缺乏實驗驗證數據等。未來需聯合科研機構、生產廠商及監管部門，建立動態標準更新機制，持續響應技術發展與用戶需求，切實守護人民群眾的生命安全。

參考文獻

[1]李琬華，郝振源，吳友平.不同界面條件下TPU/HVSSBR復合材料摩擦性能及機理分析[J].摩擦學學報，2023，43（8）：905-915.

[2]李琬華.熱塑性聚氨酯復合材料摩擦性能及機理研究[D].北京：北京化工大學，2023.

[3]張娜.握力及捏力精準控制的神經肌肉復雜系統分析[D].濟南：山東大學，2020.

[4]呼慧敏，楊愛萍，徐紅旗，等.中國成年人指側捏力測量研究[J].機械設計與研究，2022，38（6）：155-159+172.

[5]施巍，常明，羅寧，等.過濾式消防自救呼吸器的改進對性能影響研究[J].安全與環境學報，2024，24（9）：3343-3350.