不同材質口罩的非油性顆粒過濾效率

張發勇，李揮，邵文亮，馮毅，陳明，李岱岳，曾海霞，王貴文(通信作者)

1 河北省藥品醫療器械檢驗研究院 (河北石家莊 050200)；2 河北省藥品審評中心(河北石家莊 050200)

口罩是一種佩戴在口鼻部位用于過濾進入肺部空氣的衛生用品，具有阻擋有害氣體、粉塵、飛沫、病毒等物質的作用，主要被用于醫療領域及礦山開采、建筑材料加工、金屬冶煉等粉塵、顆粒物污染嚴重的工作場所[1]。新型冠狀病毒肺炎疫情暴發以來，口罩需求量激增，越來越多的公眾意識到，佩戴口罩是預防呼吸道傳染病的重要方法，可有效降低新型冠狀病毒的感染風險。但市面上口罩類型較多，只有正確選擇適合自身的口罩類型，才能在合理防護的同時避免過度防護[2-3]。

口罩的制作材料包括織物、熔噴布、無紡布等傳統材料，以及石墨烯、納米銅等新型材料。不同材質口罩的防護性能存在較大差異。過濾效率為口罩最重要的防護性能指標，包括顆粒過濾效率和細菌過濾效率，顆粒過濾效率又可分為油性顆粒過濾效率和非油性顆粒過濾效率[4]。油性顆粒過濾效率一般為工業用口罩的檢測指標，我國目前尚未制定有關醫用和民用口罩油性顆粒過濾效率的標準，因此，非油性顆粒過濾效率和細菌過濾效率是衡量口罩防護性能的兩個關鍵指標，且兩者之間存在一定的相關性[5-8]。劉思敏等[9]檢測了41批醫用外科口罩的非油性顆粒過濾效率和細菌過濾效率，發現兩者成正相關，而非油性顆粒過濾效率的檢測更加簡便快捷，因此可以考慮將非油性顆粒過濾效率作為細菌過濾效率的替代方法。本研究選擇了4種不同材質(醫用外科口罩、醫用防護口罩、石墨烯口罩、納米銅口罩)的口罩，檢測其非油性顆粒過濾效率，以期為指導不同人群科學選擇和使用口罩提供依據，現報道如下。

1 材料與方法

1.1 儀器和材料

預處理儀器：德國Memmert公司生產的ICH110型恒溫恒濕箱，可調溫度范圍為10～60 ℃，可調濕度范圍為10%～80%，溫濕度控制精度分別為±0.1 ℃和±1%；中國東莞泰利測試設備有限公司生產的MHG-225CNUB型可程式恒溫恒濕試驗機，可調溫度范圍為-70～150 ℃，可調濕度范圍為20%～98%，溫濕度控制精度分別為±0.5 ℃和±3%。

檢測儀器：美國TSI公司生產的8130A型自動濾料測試儀，內置鹽性氣溶膠發生器(使用2%氯化鈉溶液)及雙重固態光度計(檢測部分)；鹽性氣溶膠發生器產生的氯化鈉氣溶膠中值直徑為(0.075±0.020)μm，顆粒分布的幾何標準偏差≤1.83，氣溶膠濃度為12～20 mg/m3；雙重固態光度計的檢測方法為鹽霧法，濃度測量范圍為1.0 μg/m3～200 mg/m3，流量范圍為15～100 L/min，效率測量范圍為0～99.999%(穿透率低至0.001%)，壓縮氣源要求550 kPa、198 L/min。

樣品：由同一廠家提供的醫用外科口罩(材質：無紡布/聚丙烯熔噴布/無紡布)、醫用防護口罩(材質：無紡布/兩層聚丙烯熔噴布和熱風棉/無紡布)、石墨烯口罩(材質：無紡布/石墨烯熔噴布/無紡布)、納米銅口罩(材質：無紡布/納米銅熔噴布/無紡布)各10個(同批次產品)，隨機編號1#～10#。

1.2 方法

醫用外科口罩采用恒溫恒濕箱進行預處理，按照YY 0469-2011《醫用外科口罩》[10]規定設置參數[溫度(38.0±2.5)℃，濕度(85±5)%，處理時間(25±1)h]；另外3種口罩采用可程式恒溫恒濕試驗機進行預處理，按照GB 19083-2010《醫用防護口罩》[11]規定設置參數[首先設置溫度為(70±3)℃，放置24 h，然后設置溫度為(-30±3)℃，放置24 h]；預處理結束后取出樣品密封待檢，檢測應于預處理后的10 h內進行；檢測時，將樣品口罩置于自動濾料測試儀內，設置檢測環境溫度為(25±5)℃、濕度為(30±10)%，檢測醫用外科口罩時氣體流量設置為30 L/min，檢測另外3種口罩時氣體流量設置為85 L/min。

2 結果

醫用外科口罩、醫用防護口罩、石墨烯口罩、納米銅口罩的平均非油性顆粒過濾效率分別為88.39%、96.47%、99.64%、97.86%，均符合國家相關標準[10-11]，見表1、圖1；進一步計算方差可得，石墨烯口罩的方差最小(0.001744)，表明這種材質口罩的非油性顆粒過濾效率最穩定，同一批次產品的優劣差距較小，見表2。

表1 4種不同材質口罩的非油性顆粒過濾效率檢測結果(%)

圖1 不同材質口罩的非油性顆粒過濾效率

表2 不同材質口罩非油性顆粒過濾效率的方差

3 討論

非油性顆粒主要是指固體和非油性液體顆粒物及微生物等，普遍存在于日常生活和工作環境中。非油性顆粒的粒徑大小各不相同，其中，直徑<5 μm的顆粒能進入呼吸系統，甚至進入肺泡中，嚴重影響人體健康[12-16]。非油性顆粒過濾效率是口罩的重要性能指標之一，其檢測方法簡便快捷，可用于檢測過程復雜、檢測周期長、對檢測人員要求較高的細菌過濾效率的預測。本研究采用美國TSI 8130A型自動濾料測試儀檢測不同材質口罩的非油性顆粒過濾效率，該儀器具有高度自動化和自診斷特性，能夠簡化操作并改善整體測量性能，其內置的雙重固態光度計能夠在縮短檢測時間的同時提升檢測準確度。

醫用外科口罩由3層組成，外層無紡布具有阻水、防飛沫作用，中間過濾層為聚丙烯熔噴布，可以阻止直徑<5 μm的感染因子(細菌、病毒及其他病原微生物等)，近口鼻的內層用于吸濕，主要用于普通公眾、公共場所服務人員及醫療機構的門診、病房普通醫護人員和保安、導醫、收費等人員的基本防護。醫用防護口罩屬于高效醫用防護口罩，由5層組成，內外層同醫用外科口罩，中間過濾層由雙層聚丙烯熔噴布和熱風棉組成，除具備醫用外科口罩的特性外，對微小帶病毒氣溶膠或有害微塵的過濾效果顯著，對非油性顆粒的過濾效率可達95%以上，可用于污染嚴重的環境或突發醫療傳染疾病(如呼吸道傳染病)時，如污染傳播高風險崗位(冷鏈運輸、跨境貨運、機場等崗位)、醫療機構中可能接觸污染物或感染者的崗位(化驗室、發熱門診、隔離病房、鼻咽拭子采樣等崗位)。

石墨烯和納米銅均為目前受關注較高的新型材料。石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料，具有超強過濾吸附、物理隔塵及PM2.5、PM10隔絕功能，還可以過濾花粉和其他粉塵；同時，石墨烯能切割細菌的細胞膜，并大量抽取細胞膜上的磷脂分子，具有優良的抗菌性；此外，石墨烯還能吸附二氧化硫、甲醛和甲苯等有害物質。以石墨烯熔噴布作為中間過濾層的石墨烯口罩，其過濾效能顯著增強，非油性顆粒過濾效率>99%，且使用時間顯著長于傳統口罩(傳統口罩要求每4～8小時更換1次，而石墨烯口罩的使用時間可超過48 h)，同時連續佩戴48 h后其過濾效能僅降低4%[17]。納米銅是一種新型納米級纖維，納米銅口罩是將銅通過物理原理改性在紗線中，其利用了銅本身的抗菌性能，并通過納米技術增強了銅的抗病毒特性。以納米銅熔噴布作為中間過濾層的納米銅口罩，其性能穩定且非油性顆粒過濾效率>95%[18]。目前，我國尚未建立石墨烯口罩和納米銅口罩的相關標準，下一步我們將針對這兩種新型材料進行相關研究，為相關標準的制定提供依據。

本研究結果顯示，不同材質口罩的非油性顆粒過濾效率存在差異，醫用外科口罩的平均非油性顆粒過濾效率符合YY 0469-2011的要求，醫用防護口罩、納米銅口罩的平均非油性顆粒過濾效率均>95%，符合GB 19083-2010中非油性顆粒過濾效率1級要求，石墨烯口罩的平均非油性顆粒過濾效率>99%，符合GB 19083-2010中非油性顆粒過濾效率2級要求。

綜上所述，不同材質口罩的非油性過濾效率存在差異，公眾應根據不同場合、不同用途選擇適宜的口罩類型，普通公民、公共場所服務人員、醫療機構一般人員選擇醫用外科口罩即可，而污染傳播高風險崗位及可能接觸污染物的人員應選擇醫用防護口罩或更高級別的防護口罩。