口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

張茜

（沈陽(yáng)紫微恒檢測(cè)設(shè)備有限公司，沈陽(yáng)110144）

0 引言

自2019年12月新冠肺炎（COVID-19）爆發(fā)以來(lái)，截至2020年7月31日，全球累計(jì)確診病例16 812 755人，死亡6 662 095人[1]。雖然新冠肺炎具有高度的傳染性，并可以通過(guò)飛沫和氣溶膠感染，但只要正確佩戴口罩，新型冠狀病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)就可以大大降低?？谡挚梢杂行У刈钃鹾《镜娘w沫核，防止佩戴者吸入并感染。隨著疫情的持續(xù)加重，口罩的市場(chǎng)需求量飛速增加，甚至出現(xiàn)了一“罩”難求的局面，導(dǎo)致口罩生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈迅速膨脹，據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委2020年2月27日宣布：全國(guó)口罩日產(chǎn)能達(dá)到7285萬(wàn)只，日產(chǎn)量達(dá)到7619萬(wàn)只[2]。在產(chǎn)量迅速提高的同時(shí)，口罩的質(zhì)量把控也顯得尤為重要，為此國(guó)家質(zhì)檢總局于2020年2月13日出臺(tái)了《市場(chǎng)監(jiān)管總局等八部門(mén)關(guān)于開(kāi)展打擊整治非法制售口罩等防護(hù)產(chǎn)品專項(xiàng)行動(dòng)的緊急通知》[3]的文件，對(duì)口罩質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求并進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管。

口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率是評(píng)判口罩質(zhì)量的重要指標(biāo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，飛沫是一種非油性顆粒物，直徑0.5～20.0 μm的飛沫會(huì)懸浮在空氣中并被易感人群吸入，因此預(yù)防新型冠狀病毒感染的口罩必須能有效阻擋直徑在0.5 μm以上的非油性顆粒物，才能起到防護(hù)作用[4]。如何判斷口罩對(duì)于新冠病毒的防護(hù)作用，這就需要專業(yè)的測(cè)試設(shè)備對(duì)口罩的非油性顆粒物即鹽性顆粒物的過(guò)濾效率進(jìn)行測(cè)試，得出科學(xué)結(jié)論。

迫于疫情的持續(xù)蔓延和口罩的大量生產(chǎn)，因此當(dāng)務(wù)之急需要盡快研制出既能達(dá)到國(guó)內(nèi)的相關(guān)口罩標(biāo)準(zhǔn)，而且成本相對(duì)較低，又有較高測(cè)試準(zhǔn)確度的口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)而滿足市場(chǎng)急需，為疫情防控工作提供有力的技術(shù)支撐。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介及技術(shù)參數(shù)

口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)主要用于測(cè)試口罩鹽性顆粒物的過(guò)濾效率試驗(yàn)和口罩的氣流阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)為操作臺(tái)與控制系統(tǒng)集成一體機(jī)，整體外殼采用鈑金噴塑箱體，箱體下部有腳輪可進(jìn)行移動(dòng)和調(diào)整，壓縮空氣管路及零部件均采用耐腐蝕材料。上位機(jī)采用一體式計(jì)算機(jī)，軟件程序基于VC平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的流量、壓差、溫濕度和顆粒物濃度等參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定后，口罩自動(dòng)進(jìn)行裝夾，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，流量和顆粒物濃度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)計(jì)算過(guò)濾效率。而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行儲(chǔ)存、導(dǎo)出和歷史查詢。根據(jù)國(guó)內(nèi)口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-9]的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表如表1所示。由此確定試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為：鹽性顆粒物類型為NaCl，鹽性顆粒物溶液配比為2% 的NaCl溶液。顆粒物濃度范圍為12～30 mg/m3，計(jì)數(shù)中位徑（0.075±0.020）μm，粒度分布的幾何偏差不超過(guò)1.86，質(zhì)量中值粒徑（0.24±0.06）μm。氣體流量測(cè)試范圍為15～100 L/min，準(zhǔn)確度為±2% F.S。壓力傳感器量程為0～1000 Pa，準(zhǔn)確度±0.5% F.S。顆粒物數(shù)據(jù)采集誤差范圍為±5%。鹽性顆粒物過(guò)濾效率測(cè)量范圍為0～99.999%。外形尺寸為0.9 m×0.88 m×1.51 m。供電為交流220 V，功率為1.5 kW。

表1 口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

2 系統(tǒng)組成

口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖

考慮到設(shè)備后期維護(hù)的便捷性，該系統(tǒng)采用正壓形式，動(dòng)力源為空壓機(jī)。壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾減壓閥減壓和初級(jí)除水過(guò)濾后，進(jìn)入精密過(guò)濾器進(jìn)行三級(jí)過(guò)濾，最高過(guò)濾精度達(dá)到0.05 μm。壓縮空氣管路安裝電解點(diǎn)壓力表，實(shí)時(shí)監(jiān)控主壓縮空氣管路內(nèi)部氣壓。經(jīng)過(guò)精密過(guò)濾器過(guò)濾后的壓縮空氣分為3路：第一路為潔凈壓縮空氣，經(jīng)過(guò)主氣路電氣比例閥，根據(jù)流量與壓差之間的關(guān)系，通過(guò)控制氣壓從而控制流量；第二路為鹽性顆粒物發(fā)生氣路，經(jīng)過(guò)顆粒物發(fā)生氣路電氣比例閥調(diào)節(jié)壓力來(lái)控制鹽性顆粒物的發(fā)生濃度，在顆粒物發(fā)生氣路電氣比例閥與顆粒物發(fā)生器之間安裝單向閥，防止由于清潔管路的壓縮空氣壓力過(guò)高發(fā)生溶液反流，對(duì)閥門(mén)造成損壞；第三路為氣缸動(dòng)力氣源，通過(guò)氣缸電磁閥控制夾緊氣缸對(duì)口罩夾具實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉，對(duì)試驗(yàn)用口罩進(jìn)行裝夾?？谡謯A具采用碗式結(jié)構(gòu)，下部固定，上部加緊，氣流通過(guò)有效面積100 cm2，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

第一路的潔凈空氣與第二路的鹽性顆粒物混合空氣在混合器進(jìn)行均勻混合后進(jìn)入口罩夾具上部，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)用口罩后，通過(guò)下部的噴嘴排出。排出端采用顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)排出空氣的鹽性顆粒物進(jìn)行采集，從而計(jì)算口罩的過(guò)濾效率。其中試驗(yàn)件壓差傳感器用于采集試驗(yàn)用口罩在設(shè)定流量下的氣流阻力。流量計(jì)用壓差傳感器用于采集噴嘴兩端的壓差，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出當(dāng)前的體積流量。設(shè)備外觀圖如圖2所示。

3 測(cè)試原理

試驗(yàn)臺(tái)采用顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)鹽性顆粒的計(jì)數(shù)濃度進(jìn)行采集，過(guò)濾效率可通過(guò)對(duì)未放置試驗(yàn)用口罩前的顆粒物濃度和放置口罩后的顆粒物濃度進(jìn)行采集并計(jì)算得出：

圖2 設(shè)備外觀圖

式中：η為鹽性顆粒物的過(guò)濾效率，%；C1為未放置試驗(yàn)用口罩前的顆粒物計(jì)數(shù)濃度，顆/cm3；C2為放置試驗(yàn)用口罩后的顆粒物計(jì)數(shù)濃度，顆/cm3。

4 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

從口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鹽性過(guò)濾效率試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)可知，要實(shí)現(xiàn)過(guò)濾效率的測(cè)試的真實(shí)性，必須保證鹽性顆粒物的發(fā)生粒徑范圍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

鹽性顆粒物氣溶膠發(fā)生分為很多種方式，但壓縮空氣噴射法相對(duì)簡(jiǎn)單易行，便于維護(hù)，且發(fā)生的顆粒物濃度較高。該試驗(yàn)臺(tái)的鹽性顆粒物發(fā)生器采用Laskin噴嘴形式。Laskin噴嘴是一種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單的噴嘴，但能發(fā)生高濃度多分散亞微米氣溶膠粒子[10]，試驗(yàn)臺(tái)鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴如圖3所示。

采用壓縮空氣通過(guò)Laskin 噴嘴發(fā)生器對(duì)2%的NaCl溶液進(jìn)行噴射，發(fā)生出鹽性顆粒物氣溶膠。并用美國(guó)TSI 公司生產(chǎn)的SMPS-3936型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀，對(duì)發(fā)生粒徑進(jìn)行掃描，NaCl顆粒物粒徑分布圖譜如圖4所示，根據(jù)圖譜計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴

圖4 NaCl顆粒物粒徑分布圖譜

綜上所述，該試驗(yàn)臺(tái)的鹽性顆粒物發(fā)生器發(fā)生的NaCl顆粒物粒徑分布滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 控制及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和處理的控制中心，由計(jì)算機(jī)、電氣附件及控制軟件組成。計(jì)算機(jī)形式為觸摸式一體機(jī)，操作系統(tǒng)為WIN10中文版，計(jì)算機(jī)內(nèi)置開(kāi)關(guān)量控制卡和模擬量控制卡，該部分是控制系統(tǒng)的核心。電氣附件主要由斷路器、接觸器、保護(hù)器和繼電器等組成，該部分是控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元?？刂栖浖赩C軟件平臺(tái)編寫(xiě)，界面通俗易懂，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前設(shè)備的流量、壓差等參數(shù)。軟件還可以對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)方法自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，并且存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該部分為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，軟件界面如圖5所示。

表2 NaCl顆粒物粒徑分布測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表

圖5 軟件界面

6 試驗(yàn)對(duì)比

采用鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)與美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的8130型濾料試驗(yàn)臺(tái)分別對(duì)同一批次、同一種類、同一時(shí)間下線的日常防護(hù)口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩和雙層熔噴布的鹽性顆粒物過(guò)濾效率進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷試驗(yàn)臺(tái)之間測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差值。

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)要求的溫濕度環(huán)境下進(jìn)行，每種口罩分別取3組樣品在2臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，NaCl顆粒物過(guò)濾效率數(shù)據(jù)對(duì)照表如表3所示。

從結(jié)果可以得出該試驗(yàn)臺(tái)與美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的8130型濾料試驗(yàn)臺(tái)的鹽性顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試值偏差小于1%。

7 結(jié)語(yǔ)

口罩鹽性顆粒物過(guò)濾效率試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，為口罩的質(zhì)量保證提供了必要的技術(shù)檢測(cè)手段。在與TSI 8130 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比數(shù)據(jù)表明，該試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，且設(shè)備成本相對(duì)較低，在技術(shù)上為疫情防控工作提供了有力的支持。

表3 NaCl顆粒物過(guò)濾效率對(duì)照表 %