空氣濕度對自吸過濾式口罩過濾性能的影響研究*

劉 飛，柳靜獻，陳思思，薛建偉，林秀麗

(東北大學 濾料檢測中心，遼寧 沈陽 110004)

0 引言

人類工業過程與自然活動產生了大量的可吸入顆粒物，這些顆粒物能夠長時間懸浮在空氣中。當人體長期暴露于顆粒物濃度較大的場合，會使人患上一系列疾病，從而導致壽命的縮短。顆粒物的粒徑越小，對人體的危害越大[1-3]。

目前，控制細顆粒物的主要途徑為工程治理[4]，但在一些作業場合，因為粉塵治理技術或者管理的缺陷，致使顆粒物濃度較大；另外，隨著大氣霧霾的加重，一些城市的空氣質量指數(AQI)爆表[5]，人們的生活空間也受到了一定的威脅；在以上情況下，人們有必要佩戴防護口罩阻擋顆粒物進入人體。

自吸過濾式防護口罩(以下簡稱口罩)是目前佩戴最廣的防護用品，KN90，KN95為2個常見系列，其核心過濾材料為熔噴聚丙烯靜電布。口罩過濾性能的評價主要依照GB2626-2006《呼吸防護用品—自吸過濾式防顆粒物呼吸器》[6]，對其呼吸阻力、過濾效率、泄漏性等關鍵指標進行試驗。

口罩的呼吸阻力對佩戴者的舒適度、過濾效率、泄漏率產生較大的影響[7-10]。GB2626-2006對KN系列口罩過濾效率的檢測塵源為中位徑為0.26 μm的NaCl單普氣溶膠，但人員在佩戴口罩的過程中面對的為粒徑分布范圍較廣的氣溶膠顆粒，目前針對佩戴口罩時所產生的熱濕氣流對其過濾效率影響的研究以及圍繞國內外KN系列口罩的過濾效率與阻力進行系統綜合的研究非常少，因此本文以市場上所售KN系列防護口罩為研究對象，對其呼吸阻力、不同粒徑顆粒的分級過濾效率、濕度對過濾效率的影響等進行實驗研究與分析，以期為人們理性選擇口罩或相關企業改善口罩性能提供參考。

1 實驗方案

1.1 實驗樣品

KN90系列樣品為國外品牌M、國內品牌BK、國內品牌KT，依次編號為A，B，C；KN95系列樣品為國外品牌M、國內品牌HT、國內品牌CM，依次編號為D，E，F；以上口罩均不帶呼吸閥。呼吸阻力與效率實驗中，每種口罩分別隨機選取同一批次6個測試樣品，所有樣品均滿足GB2626-2006的規定。以上6種口罩都是由無紡布與熔噴聚丙烯靜電材料疊加而成，熔噴聚丙烯靜電布的纖維平均直徑依次為2.9，2.7，2.8，3.7，3.3，2.3 μm。各個口罩的熔噴靜電布的電鏡掃描圖及纖維直徑分析見圖1。

圖1 纖維直徑分布與SEMFig.1 Fiber diameter distribution and SEM diagram

1.2 實驗裝置

呼吸阻力的實驗采用GB2626—2006所建議的實驗裝置，如圖2所示。

圖2 呼吸阻力實驗裝置Fig.2 Respiratory resistance experimental device

不同空氣濕度條件下的分級過濾效率實驗裝置如圖3所示。

1-抽氣泵； 2-轉子流量計； 3-粒子計數器； 4-濕度傳感器； 5-實驗材料(平板型口罩濾材) ； 6-不同濕度的氣流圖3 分級計數效率實驗裝置Fig.3 Experimental device of Fractional count efficiency

1.3 實驗方法

呼吸阻力實驗中，根據人員在不同勞動程度下的呼吸流量不同，選取流量為15，20，30，50，70，85 L/min，即0.9，1.2，1.8，3.0，4.2，5.1 m3/h。首先，測出在不同流量下，吸氣或者呼氣時，系統空載時的平均阻力P1；然后，在人頭模型上配戴好被測樣品，測出平均阻力P2，則被測樣品的呼氣或者吸氣阻力P=P1-P2。

分級過濾效率實驗中，實驗材料為平板型口罩濾材，以大氣塵作為塵源(粒徑分布以及粒子數量濃度分別如圖4和表1所示)，管路中通入不同濕度的氣流，模擬人呼吸時產生的濕氣流，氣體流量為0.86 m3/h，過濾面風速為0.14 m/s,濕度傳感器實時監測管路中氣流的相對濕度值，分別在溫度為16℃、相對濕度為30%，60%，80%時，用TSI9306粒子采樣器(工作溫度為5～35℃，濕度為20%～95%，采樣流量為2.83 L/min，采樣重疊誤差<5%，各粒徑范圍內的采樣數量上限為2 000 000 Particles/ft3)分別測出上游與下游的空氣動力學直徑在0.3～<0.5，0.5～<1，1～<2.5，2.5～<5， 5～<10和≥10 μm這些范圍的顆粒數N1，N2，則各個粒徑范圍內的計數效率η為：

(1)

圖4 大氣塵源的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of atmospheric dust sources

粒徑/μm濃度/(Particles·ft-3)0.3～<0.5309440～3098900.5～<133541～33678≥14371～4390

2 實驗結果分析與討論

2.1 呼吸阻力實驗

A，B，C，D，E，F口罩的呼吸阻力實驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 KN90口罩的呼吸阻力Fig.5 Respiratory resistance of KN90 respirator

口罩的吸氣阻力與呼氣阻力隨著呼吸流量的增加而線性增加，且同一流量下，同一口罩的吸氣阻力大于呼氣阻力，并且隨著流量的增加，吸氣阻力與呼氣阻力的差值也呈現逐漸增大的趨勢。這是因為在佩戴口罩吸氣時，系統處于負壓狀態，吸氣流量越大，口罩與人臉貼合越為緊密；而當呼氣時，系統處于正壓狀態，呼氣流量越大，口罩與人臉貼合越不緊密，出現較多漏氣處；導致吸氣阻力與呼氣阻力的差值逐漸加。

圖6 KN95口罩的呼吸阻力Fig.6 Respiratory resistance of KN95 respirator

GB2626-2006規定：口罩在85 L/min流量下，口罩的吸氣阻力<350 Pa，呼氣阻力<250 Pa。實際上，人在佩戴口罩時，當阻力達250 Pa時，人就會產生頭暈缺氧等不適感，老人與兒童更為明顯，為了提高舒適性的要求，口罩阻力應低于150 Pa[11-12],國標對口罩呼吸阻力的要求限值較高。本實驗所研究的KN90，KN95系列口罩在85 L/min(5.1 m3/h)流量下，A，B，C口罩的吸氣阻力均小于100 Pa，呼氣阻力小于40 Pa；D，E，F口罩的吸氣阻力小于120 Pa,呼氣阻力小于65 Pa；本文所研究的6種口罩的呼吸阻力不僅比國標要求的限值小很多，而且滿足人員佩戴時舒適性的要求。

2.2 不同空氣濕度下分級效率實驗

KN90系列A，B，C口罩與KN95系列D，E，F口罩在0.14 m/s的風速下，不同空氣濕度條件下計數效率實驗結果如圖7～圖12。

圖7 A口罩的不同濕度下的分級效率Fig.7 Fractional count efficiency of A respirator under different relative humidity

圖8 B口罩的不同濕度下的分級效率Fig.8 Fractional count efficiency of B respirator under different relative humidity

圖9 C口罩的不同濕度下的分級效率Fig.9 Fractional count efficiency of C respirator under different relative humidity

圖10 D口罩的不同濕度下的分級效率Fig.10 Fractional count efficiency of D respiraor under different relative humidity

由圖7～圖12可知，A，C，D，E，F口罩在同一風速下，氣流相對濕度的增加對各個粒徑范圍內顆粒的過濾效率的影響較小，C，E，F口罩在氣流濕度增加時，對1～5 μm顆粒物的過濾效率增加，但非常小，原因有可能是高濕氣流產生的水霧附著在口罩材料表面，使其對大顆粒物的捕集能力增強或者是實驗誤差所致；B口罩在氣流相對濕度為30%時，對0.3～<0.5，0.5～<1 μm顆粒的計數效率分別為91.74%，97.11%；當氣流相對濕度為60%時，對0.3～<0.5，0.5～<1 μm顆粒的計數效率分別降為88.23%，95.48%；當氣流濕度繼續增加為80%時，對0.3～<0.5，0.5～<1 μm顆粒的計數效率下降更為明顯，分別降為71.56%，90.58%；氣流濕度的增加對粒徑為1 μm以上的顆粒計數效率基本無影響。E口罩在氣流相對濕度分別為30%與60%時，氣流濕度對其計數效率無影響；當氣流相對濕度為80%時，對0.3～<0.5，0.5～<1 μm顆粒的計數效率從98.40%，99.21%降為94.89%，97.76%。

圖11 E口罩的不同濕度下的分級效率Fig.11 Fractional count efficiency of E respirator under different relative humidity

圖12 F口罩的不同濕度下的分級效率Fig.12 Fractional count efficiency of F respirator under different relative humidity

口罩對顆粒物的捕集主要依賴攔截、靜電、慣性、擴散、重力作用。A，C，D，F口罩在不同濕度條件下對不同粒徑顆粒物的捕集性能基本沒有變化，與其本身結構較為致密、靜電保持能力較強或者動態疏水性能較好有關。B，E口罩對1 μm以下顆粒的過濾效率與氣流相對濕度有關，而1 μm以上顆粒物不受其影響，這主要是因為隨著空氣濕度的增加，根據以下海爾公式[13]可知：

lgRS=-nlgM+lgK

(2)

lgThl=A×lgRS-B

(3)

式中：RS為表面電阻；M為纖維含水率；n，K為常數；Thl為衰變速率常數；A，B為常數。

由于B，E口罩的動態疏水性能或者纖維靜電保持能力相對較差，當纖維過濾材料處在相對濕度較大的環境中時，其表面電阻較小，電荷量的衰減也比較快，導致B，E口罩靜電量的損失，使其主要依靠靜電吸附作用捕集細顆粒物的能力減弱或消失；而對大顆粒物的捕集主要依靠攔截、慣性、重力作用，氣流相對濕度對其基本無影響。

3 結論

1)本文所研究的KN90，KN95系列口罩的核心過濾材料為熔噴聚丙烯靜電布，其纖維平均直徑均小于4 μm。6種口罩的呼氣阻力與吸氣阻力能夠較好地滿足GB2626-2006對呼吸阻力的要求。

2)以環境氣溶膠顆粒作為實驗塵源，近似于口罩使用的實際情況；6種口罩對不同粒徑顆粒的過濾效率隨著粒徑的增大而增大；氣流相對濕度主要影響B，E口罩對1 μm以下顆粒的過濾效率，對1 μm以上顆粒物的過濾效率無影響。

3)呼吸阻力與過濾效率是考查口罩性能的2個重要指標。國產KN90，KN95系列口罩性能優良，但相比國外知名品牌，在靜電保持能力上依舊存在差距。建議相關企業從改善口罩的立體結構，駐極工藝等角度出發，使其更加符合國人的顏面特征，佩戴更為舒適，口罩材料的靜電保持更加穩定，進一步提高國內個體防護產業的競爭力。

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