基于環境氣溶膠的防護用口罩過濾性能研究

郭二寶 呂梅群 榮鼐 張一飛 余忠凱 劉興成

1 安徽建筑大學安徽省綠色建筑先進技術研究院

2 安徽建筑大學建筑室內熱濕環境實驗室

3 中冶賽迪上海工程技術有限公司

0 引言

21 世紀以來，感冒、中東呼吸綜合征(MERS)和嚴重急性呼吸綜合癥(SARS)等流行疾病肆虐，造成了全球大量的人員傷亡與經濟損失[1]。近期，科學家們宣稱新冠肺炎可能在空氣中進行傳播，并列舉了支持氣溶膠傳播的數個依據[2,3]，氣溶膠傳播是指飛沫在空氣懸浮過程中失去水分而剩下的蛋白質和病原體組成的核，形成飛沫核，可以通過氣溶膠的形式漂移到遠處，進行遠距離的傳播。新冠肺炎病毒平均直徑約為100 nm[4]，通常依附在載體上進行傳播,諸如人的呼吸、說話、咳嗽、打噴嚏等行為活動[5]。飛沫在空氣中停留、擴散，當被人體吸入時，將有可能產生感染風險。新冠肺炎患者呼出的飛沫中往往附帶成千上萬的冠狀病毒微粒，普通人大約吸入數百個冠狀病毒微粒就有會有病毒感染的風險[6]。

據美國疾病控制與預防中心（CDC）表示，佩戴防護口罩可以有效降低新冠病毒感染者呼出的飛沫對他人產生的傳播風險以及降低健康人吸入含新冠病毒病原體微粒的機率。口罩的防護性能與過濾能力之間有較大的關系，不同材質的防護口罩，其過濾能力也存在很大的差別。調查發現有些口罩可以對直徑1 μm 左右顆粒物的過濾效率達到97%左右，但有些口罩可以允許直徑9 μm 左右的顆粒穿過。另一項研究結果表明在煙霧測試中，兩種不同類型的防護口罩對0.5～3.2 μm 粒徑段的煙霧粒子過濾效率分別為 68%與33%。高過濾性能的口罩可以過濾直徑 0.1 μm 左右的粉塵顆粒，為佩戴者提供更加有效的防護，但同時也會造成佩戴者呼吸困難[7-9]。佩戴呼吸防護口罩后，人體的呼吸氣流通過口罩時會產生摩擦力，從而形成了呼吸防護口罩的吸氣阻力和呼氣阻力，吸氣阻力和呼氣阻力統稱為呼吸阻力，它是防護口罩的一項重要性能評價指標，若增加額外的呼吸阻力，會大幅降低每分鐘的呼吸量和耗氧量[10-12]，造成使用者換氣不足。好的防護口罩可以讓使用者佩戴舒適，大大提高使用者的舒適性，所以，深入研究防護口罩對人體的呼吸性能有一定的必要性。

1 測試部分

本文研究的口罩凈化對象主要集中在粒徑范圍以0.3～0.4 μm 為主的微細顆粒物上，以人體呼吸力為凈化動力（通常為30～50 Pa），測試對比目前市售各類口罩濾料和新型醫用組合濾料口罩凈化性能，各類口罩樣本分類見表 1。其中，1#～7# 口罩為市售各類口罩，8 #～10#為新型醫用組合濾料口罩。

表1 各類口罩樣本分類

為準確測試口罩樣品對環境氣溶膠的過濾特性，搭建了空氣過濾口罩材料特性的測試平臺，實物圖如圖1 所示，工作原理圖如圖2。

圖1 口罩濾材測試平臺實物圖

圖2 基于環境氣溶膠的口罩過濾材料過濾特性測試平臺

過濾材料測試平臺系統組成具體介紹如下：

1）測試管道：測試管道采用有機玻璃制成，以測試濾料為界分前后兩段，管道半徑為 50 mm。濾料夾持部分采用橡膠墊圈密封，防止濾料夾持部位漏風。夾持部位采用套環螺紋旋緊。測試管道前后管徑相同，無濾料加裝時可視為一體，因此認為測試管道對氣溶膠無干擾作用。

2）動力系統：采用 WX-2 無油真空壓縮機作為過濾材料測試系統的動力源。

3）流量調節：采用 LZB-10 玻璃轉子流量計控制測試管道的流量，根據流量與測試管道的管徑來確定過濾風速；轉子流量計位于測試管道的下游。

4）檢測系統：濾料前后側氣溶膠濃度由 Grimm1.108 便攜式粉塵儀進行檢測，每 6 s 記錄一組數據，每組數據包含14 個數據，分別代表不同粒徑區間的氣溶膠濃度。濾料前后側壓差由TSI 9555-P 風壓儀采集。

2 測試結果對比分析

市場銷售的各類口罩在呼吸阻力下的過濾性能如圖 3 所示，紗布口罩（8 層）透氣量大，呼吸阻力低，但對微細顆粒物過濾效率低于 10.0%，3 個紗布口罩疊用（24 層）的過濾效率仍然低于30.0%。活性炭口罩呼吸阻力適中，對微細顆粒的過濾效率為 37.5%～ 44.6%。5#～7# 無紡布口罩的過濾效率在 66.8%～ 80.4%，但由于呼吸阻力較高，當佩戴者使用時，會致使口鼻部位空氣流通停滯而造成死腔，導致局部空氣質量低劣，CO2濃度逐漸增加，導致人體吸入空氣量不足，而感到呼吸困難。因此，高效但高阻的無紡布口罩不是防護口罩的最佳選擇，防護口罩應在滿足人體呼吸阻力和流量的要求下，達到盡可能高的過濾效率，同時滿足人體對呼吸舒適性和潔凈呼吸空氣的需求。根據紗布的低阻和帶靜電層濾料的高效特性，選用“紗布+駐極體濾料”組合成新型醫用口罩濾料，并對不同厚度“紗布+駐極體”濾料的過濾性能進行測試。見圖4，對比不同駐極體濾料過濾效率發現，過濾效率隨著克重的增加而增加，但過濾阻力也隨著濾料克重厚度的增大而增大，比較8#～10#口罩濾料過濾性能可知，9 #口罩濾料過濾效率為 80.5%～82.1%，空氣流量為20.0～36.3 L/min，過濾性能最佳。通過“紗布 +駐極體濾料”新型醫用組合濾料口罩的綜合性能與目前市場主流銷售的口罩濾料對比發現，駐極體濾料具有低阻高效的特性。

圖3 市售各類口罩呼吸阻力下的過濾性能曲線

圖4 新型醫用組合濾料口罩呼吸阻力下的過濾性能曲線

3 結論

測試結果表明，新型醫用組合濾料在30～50 Pa 的呼吸阻力下，其過濾效率可以達到80.5%～82.1%，空氣流量為 20.0～36.3 L/min，其阻力與紗布相當，過濾效率與無紡布相當，新型醫用組合濾料兼有兩者的優點，是一種防護環境氣溶膠用口罩的理想材料。