口罩呼吸阻力與顆粒物過濾效率關聯性分析及對策研究

文/楊德虎 朱珠 胡奕 劉建強

1 引言

新冠肺炎疫情暴發后，口罩成為疫情期間極為緊缺的防護物資。如今，在口罩供給逐漸滿足市場需求后，口罩產品質量也成為人們密切關注的新熱點[1]。顆粒物過濾效率是防護型口罩的關鍵技術要求之一，過濾效率越好的材料，對顆粒物濾除的能力越好，相應地通過口罩材料吸入的空氣中的顆粒物越少[2]。而高質量的口罩不僅應具有良好的防護性能，還必須具有良好的生理舒適性能[3]。呼吸阻力是評價口罩舒適性能的重要指標，口罩阻力越小，人體佩戴口罩呼吸時感覺就會越順暢。本文主要以國內外防護型口罩為研究對象，探索口罩呼吸阻力和顆粒物過濾效率之間的關聯性，進一步分析影響口罩呼吸阻力與顆粒物過濾效率的主要因素并提出解決對策。希望能為消費者在選購口罩時提供參考信息，同時為口罩生產企業提供口罩產品質量分析數據，對改進口罩生產技術提供幫助。

2 試驗

2.1 試驗依據

GB 2626—2019《呼吸防護 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中6.3、6.5和6.6條款。

2.2 試驗儀器設備

呼吸阻力測試裝置：DR246S口罩呼吸阻力測試儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司）；顆粒物過濾效率測試裝置：DR251XL2顆粒物過濾效率測試儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司）。

2.3 檢測條件及方法

2.3.1 呼吸阻力測試

（1）檢測條件：通氣量為（85±5）L/min。

（2）檢測方法：檢查檢測裝置的氣密性及工作狀態。將通氣量調節至（85±1）L/min，并將檢測裝置的系統阻力設定為0。采取適當的措施，將被測樣品以氣密的方式佩戴在匹配的試驗頭模上，確保面罩佩戴位置正確，固定方式不應影響過濾元件的有效通氣面積，也不應使面罩變形。測定并記錄最大的吸氣/呼氣阻力。

2.3.2 顆粒物過濾效率測試

（1）檢測條件：檢測溫度條件為（25±5）℃，相對濕度為（30±10）%，NaCl顆粒物濃度不應超過200mg/m3。

（2）檢測方法：將過濾效率檢測系統調整到檢測狀態，并調整相關測試參數。用適當的夾具將過濾元件以氣密的方式連接在檢測裝置上。檢測開始后，應連續記錄過濾效率結果。

2.4 試驗樣品

試驗樣品均為呼吸防護自吸過濾式類型口罩，如圖1所示。其中1#～6#樣品為疫情期間境外國家向我國捐贈口罩；7#和8#樣品為國內企業生產口罩。

圖1 試驗樣品及試驗儀器設備

1#、4#和6#樣品來自沙特阿拉伯、法國等國家捐贈FFP2系列口罩，均執行歐盟標準EN 149:2001；2#和5#樣品為韓國KF94口罩，均執行韓國標準KS M 6673-2008；3#樣品為美國N95口罩，屬于NIOSH認證產品；7#和8#樣品為國內企業生產，均執行GB 2626—2019。羅勝利等[4]發表的《口罩國內外標準比較及質量問題分析》一文中，將執行歐盟標準EN 149的個體防護口罩、美國NIOSH認證的防顆粒物口罩與國內執行GB 2626的防護型口罩都歸為日常生活空氣污染環境下為濾除顆粒物所佩戴的防護型口罩。因此，試驗樣品中境外國家捐贈口罩可對標國內KN95或KP95型號口罩，本文統一采用GB 2626—2019進行測試分析。

3 試驗數據及結果分析

3.1 試驗數據

試驗數據見表1。

3.2 結果分析

3.2.1 口罩過濾效率偏低時，其呼吸阻力一般也偏低。

通過表1試驗數據分析可以看出，當口罩過濾效率偏低時，意味著其對顆粒物濾除的性能較差，而過濾性能較差的原因往往是因為口罩面料層數較少或材質較差，造成口罩透氣性較好，從而導致口罩呼吸阻力偏低。

3.2.2 口罩呼吸阻力較大時，其過濾效率性能相對較好。

通過表1試驗數據分析可以看出，口罩呼吸阻力偏大時，其過濾效率性能相對較好。口罩因生產工藝、面料材質等問題造成呼吸阻力較大時，意味著口罩透氣性及舒適性較差時，同時也增強了口罩對顆粒物濾除的性能。

4 影響口罩呼吸阻力和顆粒物過濾效率性能的因素分析

4.1 口罩面料層數及材質質量直接影響呼吸阻力和顆粒物過濾效率性能

口罩面料層數方面：圖2中展示1#和8#試樣有5層，7#試樣有4層，而2#和5#試樣均為3層，4#試樣只有2層。口罩材質質量方面：圖2中展示6#試樣雖然有4層，但除熔噴布外，其他3層材質都過于單薄，且密度[5]較低，幾乎能直接透視物體。

圖2 試樣1#～8#口罩面料層數展示

結合表1數據分析：一是1#、7#和8#試樣呼吸阻力均高于其他試樣；二是4#和6#試樣的過濾效率和呼吸阻力均低于其他試樣。所以，口罩層數偏少或材質質量較差會直接影響口罩過濾效率和呼吸阻力偏低。

4.2 熔噴布層數對呼吸阻力影響較大

圖2中展示1#、7#和8#試樣熔噴布均有兩層，2#、5#和6#試樣熔噴布均只有一層。對照表1可以看到，擁有兩層熔噴布的1#、7#、8#3個試樣呼吸阻力比擁有一層熔噴布的2#、5#、6#試樣高出許多。

表1 試樣1#～8#過濾效率、呼氣阻力、吸氣阻力測試數據 %

4.3 熔噴布的處理工藝對呼吸阻力有一定影響

圖3中展示只有1#、3#、7#、8#等4個試樣擁有兩層熔噴布。但1#、7#、8#3個試樣的呼吸阻力遠遠高于3#試樣。通過對熔噴布處理工藝分析[6]，僅有3#試樣在兩層熔噴布中間多一層類似于纖維紗網的材質，增加了口罩整體的透氣性，降低了口罩呼吸阻力，增強口罩舒適性。

4.4 口罩的使用情況會對其顆粒物過濾效率性能產生一定影響

口罩佩戴者面部因人而異，且口罩設計尺寸和造型繁多，當選擇適合自己臉型的口罩時，能提高口罩與面部的密合性，從而提高口罩防護效果，充分發揮口罩顆粒物過濾效率性能；相反，佩戴不合適面部的口罩，容易產生漏氣，導致口罩顆粒物過濾效率性能降低。

5 提高口罩呼吸阻力和顆粒物過濾效率性能的對策

5.1 合理設計口罩面料層數。建議口罩面料層數設計為3層或4層，3層以下可能會導致過濾效率性能降低，而設計5層及以上可能造成呼吸阻力偏大。

5.2 保障口罩原材料產品質量。無論是熔噴布還是其他材料，必須取用質量合格的原材料，這樣才能確保最終生產出來的口罩產品質量合格。

5.3 改進和創新口罩生產工藝。3#試樣為美國生產N95型口罩，口罩有5層面料，其中包含2層熔噴布，過濾效率不低于99%，但與其他同樣層數甚至更少層數的口罩相比，其呼吸阻力偏低，通氣性好，舒適性強，究其原因在于美國口罩生產企業對多層熔噴布疊加進行了工藝改進。所以，國內口罩生產廠家應注重改進或創新口罩生產工藝和技術，進一步提高口罩產品質量。