口罩綜合性能測(cè)試裝置的研制

摘要：為了進(jìn)一步提高口罩生產(chǎn)設(shè)備的智能化和自動(dòng)化水平，根據(jù)口罩綜合性能測(cè)試裝置的研制需求，提出了能夠同時(shí)用于過(guò)濾效率和氣流阻力測(cè)試的便攜式口罩測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)思路，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)、工作流程進(jìn)行了分析。從口罩生產(chǎn)設(shè)備的智能化測(cè)試結(jié)果以及裝置的性能測(cè)試結(jié)果來(lái)看，其能夠滿(mǎn)足口罩綜合性能的檢測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：口罩;綜合性能;測(cè)試裝置;設(shè)計(jì)思路

0 引言

2020年突如其來(lái)的疫情，使得人們紛紛開(kāi)始佩戴口罩。口罩生產(chǎn)企業(yè)的日產(chǎn)量劇增，但口罩的性能全檢能力跟不上，導(dǎo)致口罩質(zhì)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)百分百可控。同時(shí)，市面上的口罩類(lèi)型多樣，單純依靠實(shí)驗(yàn)室抽樣檢測(cè)或人工檢測(cè)均難以保證口罩防護(hù)性能達(dá)標(biāo)，也不能滿(mǎn)足市場(chǎng)供應(yīng)需求，由此產(chǎn)生的漏檢、缺檢、逃檢問(wèn)題，讓民眾的身體健康得不到有效保障。因此，亟需研發(fā)口罩綜合性能測(cè)試裝置，突破口罩檢測(cè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)并實(shí)時(shí)進(jìn)行口罩的全性能檢測(cè)，能夠嚴(yán)格管控口罩質(zhì)量，為保證口罩質(zhì)量的提升提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 口罩綜合性能測(cè)試裝置的研制思路

1.1? ? 口罩測(cè)試需求

在口罩性能測(cè)試方面，需要對(duì)氣流阻力、過(guò)濾效率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)濾效率，可以確認(rèn)口罩使用的濾料對(duì)有害物的濾除效果，如N95口罩過(guò)濾效率至少達(dá)到95%，屬于1級(jí)，合格產(chǎn)品需要保證過(guò)濾效率指標(biāo)測(cè)試達(dá)到要求。對(duì)過(guò)濾效率進(jìn)行測(cè)試，能夠反映口罩的佩戴舒適性，未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值將會(huì)造成佩戴者呼吸困難，甚至引發(fā)嚴(yán)重不適的情況[1]。如果氣流阻力過(guò)小，將損害口罩過(guò)濾效果。

目前市面上的口罩類(lèi)型、數(shù)量較多，想要保證口罩能夠較好地發(fā)揮防護(hù)作用，還要加強(qiáng)口罩性能測(cè)試。而多數(shù)用于口罩性能測(cè)試的裝置體積較大，適合在實(shí)驗(yàn)室或醫(yī)療機(jī)構(gòu)中使用，難以滿(mǎn)足企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)乃至普通消費(fèi)者的使用需求。部分便攜式口罩測(cè)試裝置則只能進(jìn)行幾種口罩過(guò)濾性能測(cè)試，無(wú)法進(jìn)行氣流阻力等指標(biāo)測(cè)試，同樣無(wú)法滿(mǎn)足口罩檢測(cè)需求。因此應(yīng)研制攜帶方便、功能豐富的口罩綜合性能測(cè)試裝置。

1.2? ? 裝置測(cè)試原理

結(jié)合裝置研制需求，所設(shè)計(jì)的口罩綜合性能測(cè)試裝置原理如圖1所示。利用頭部模型，能夠?qū)κ褂每谡值膶?shí)際工況進(jìn)行模擬，裝置吸氣、呼氣過(guò)程接近人工呼吸，能夠?qū)谡峙c面部的閉合性進(jìn)行測(cè)試，最終測(cè)得PM2.5去除效果和口罩氣流阻力。將口罩固定在頭部模型上后，可以將真空泵打開(kāi)，并將流量計(jì)調(diào)節(jié)到指定流速位置。利用粒子計(jì)數(shù)器，能夠?qū)?jīng)過(guò)濾后的顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)試，確定口罩過(guò)濾效率。由于整個(gè)測(cè)試環(huán)境接近真實(shí)大氣環(huán)境，并非對(duì)某種顆粒物進(jìn)行模擬，因此測(cè)得的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映口罩過(guò)濾效率。從測(cè)試原理上來(lái)看，在流量確定的空氣通過(guò)過(guò)濾材料后，計(jì)算口罩兩側(cè)顆粒物數(shù)量和內(nèi)部顆粒物數(shù)量比值，可以得到口罩過(guò)濾效率[2]。總管路上設(shè)置壓差計(jì)，對(duì)呼吸、吸氣時(shí)的壓差進(jìn)行測(cè)量，能夠確定口罩氣流阻力。通過(guò)對(duì)氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠測(cè)試不同呼吸強(qiáng)度和頻率下的口罩氣流阻力。

2 口罩綜合性能測(cè)試裝置研制方法

2.1? ? 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際在裝置開(kāi)發(fā)階段，需要做好各部分結(jié)構(gòu)選擇，確保裝置功能可以順利實(shí)現(xiàn)。在頭部模型設(shè)計(jì)上，可以采用光滑皮質(zhì)材料和鋼材進(jìn)行固定裝置的設(shè)計(jì)，裝置內(nèi)部采用鋼架構(gòu)，頭部外形和開(kāi)口采用皮質(zhì)材料，按照《中國(guó)成年人頭型系列》要求進(jìn)行制作。在模型內(nèi)部設(shè)置連接硅膠管，采用180°筆直延伸連接方式，以免管路扭曲造成測(cè)試結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)。在各部件連接上，還應(yīng)選用彈力、回彈性較好的膠管，采用接口套疊方式連接，確保接口位置密封良好。采用的測(cè)試儀用于對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)試，可以采用PostaCount測(cè)試儀，采用計(jì)數(shù)法對(duì)口罩兩側(cè)和內(nèi)外空氣顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)試。采用的流量計(jì)為L(zhǎng)ZT-15T浮子流量計(jì)，屬于面板式儀器，在流體自下而上流過(guò)錐孔時(shí)，浮子上下將會(huì)有壓差產(chǎn)生，促使浮子上升或下降[3]。在浮力、重力和黏性力三者的合力平衡時(shí)，能夠根據(jù)流量與浮子高度比例關(guān)系進(jìn)行流量測(cè)試。采用的計(jì)數(shù)器為DT-9880型，屬于四合一計(jì)數(shù)器，其不僅可以濃度模式進(jìn)行測(cè)量，也可對(duì)6種粒徑通道進(jìn)行測(cè)量，最小可達(dá)到0.3 μm的檢測(cè)直徑，分辨率能夠達(dá)到1 μg/m3。抽氣泵為HG-120旋渦氣泵，最大能夠達(dá)到36 m3/h的氣流量，可以吸氣或吹氣。選擇的各種儀器結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，使得研制出的口罩綜合性能測(cè)試裝置總體質(zhì)量較輕，能夠滿(mǎn)足攜帶需求，為裝置使用提供便利。

2.2? ? 裝置工作流程

從裝置工作流程上來(lái)看，使用該裝置進(jìn)行口罩綜合性能測(cè)試，需要先將口罩佩戴在頭部模型上，對(duì)人體正常佩戴口罩時(shí)的口罩閉合程度進(jìn)行模擬。啟動(dòng)抽氣泵模擬人呼吸，利用單向閥對(duì)吸氣和呼氣時(shí)的氣體流向進(jìn)行控制。調(diào)整氣體流量，能夠?qū)θ梭w平靜、輕微運(yùn)動(dòng)、激烈運(yùn)動(dòng)等不同狀態(tài)下的呼吸狀態(tài)進(jìn)行模擬。在測(cè)試過(guò)程中，壓差表能夠記錄管路壓力值，測(cè)試儀可以完成空氣顆粒物濃度檢測(cè)。流量計(jì)用于檢測(cè)氣體流量，根據(jù)顯示的數(shù)值將流量調(diào)節(jié)至指定數(shù)值后，可以抽氣1 min，然后呼氣1 min。測(cè)試期間，考慮到氣體流量將給口罩過(guò)濾性能帶來(lái)影響，還要合理設(shè)定氣體流量。在中等體力勞動(dòng)中，人體呼吸量在30 L/min左右，呼吸狀態(tài)呈正弦曲線(xiàn)變化，最高呼吸速度能夠達(dá)到平均速度的3倍左右，約94 L/min。參考國(guó)際上的檢測(cè)規(guī)定，可以將標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)流量設(shè)定為85 L/min。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，對(duì)不同狀態(tài)下的人體呼吸狀態(tài)進(jìn)行模擬，可以分別使氣體流量達(dá)到30 L/min、85 L/min和94 L/min。計(jì)數(shù)器可以對(duì)被測(cè)內(nèi)外環(huán)境中的顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)內(nèi)外環(huán)境連接管使粉塵顆粒到達(dá)計(jì)數(shù)器，檢測(cè)得到的結(jié)果可以用于計(jì)算口罩的過(guò)濾效率。

2.3? ? 裝置功能測(cè)試

為了確定裝置是否能夠用于口罩綜合性能測(cè)試，選取了醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用量較大的5種口罩進(jìn)行測(cè)試，包含N95型杯狀口罩、拱形綁帶N95口罩、折疊型N95醫(yī)用口罩、KN95口罩、一次性醫(yī)用口罩。

從過(guò)濾效率測(cè)試結(jié)果來(lái)看，N95口罩均能達(dá)到95%以上的過(guò)濾效率，在氣體流量提升至94 L/min時(shí)依然可以達(dá)到97.1%的過(guò)濾效率，因此能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。KN95口罩和醫(yī)用口罩在30 L/min條件下過(guò)濾效率分別可以達(dá)到99.7%和95.2%;在氣體流量提升至85 L/min后，分別達(dá)到96.1%和79.4%;在氣體流量提升至94 L/min后，分別達(dá)到94.7%和62.5%。由此可見(jiàn)，過(guò)濾效率最好的是N95口罩，其次為KN95口罩，一次性醫(yī)用口罩只能用于日常防護(hù)。

從氣流阻力測(cè)試結(jié)果來(lái)看，N95口罩測(cè)試結(jié)果在185～218 Pa，KN95和一次性醫(yī)用口罩氣流阻力分別為168 Pa和110 Pa，均能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。相比較而言，綁帶口罩氣流阻力最大，因?yàn)轭^部綁帶使得口罩與面部緊固貼合，同時(shí)拱形口罩邊緣經(jīng)過(guò)密封處理，密合性較高。相較于立體杯罩，折疊型口罩經(jīng)過(guò)平滑處理，與面部貼合較好，因此氣流阻力稍大。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)合理設(shè)計(jì)口罩綜合性能測(cè)試裝置，可使裝置體積小、重量輕，并可同時(shí)用于開(kāi)展過(guò)濾效率和氣流阻力測(cè)試，該裝置適用于各種環(huán)境下及各種口罩的性能檢測(cè)。在疫情嚴(yán)峻或常態(tài)化防疫的情況下，口罩需求量大增，該裝置的使用能夠有效保證口罩的防護(hù)性，具有較好的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-06-02

作者簡(jiǎn)介：曾俊福（1978—），男，廣東揭西人，工程師，主要從事項(xiàng)目研發(fā)工作。