醫用口罩透氣性與通氣阻力（壓力差）的相關性研究

文/潘全 徐小方 萬小蕙

醫用口罩作為日常使用的防護用品一般采用3層設計，外層為阻水層，可防止飛沫噴濺；中間層為過濾層，一般為聚丙烯熔噴無紡布，靜電作用能夠有效吸附和過濾細菌及其他細微顆粒；內層為抗濕層，具有防潮透氣功能。由于呼吸道飛沫和接觸傳播是新型冠狀病毒的主要傳播途徑，良好的呼吸防護措施不僅是醫護工作者在一線沖鋒陷陣的強大裝備，同時也是廣大公眾預防新型冠狀病毒擴散的最佳保護屏障[1]，醫用口罩對于氣溶膠、飛沫、病原微生物等具有較好的過濾防護效果。

目前，我國按照醫療器械管理且有相應標準出臺的醫用口罩主要有3種類型：醫用防護口罩、一次性使用醫用口罩和醫用外科口罩[2]。詳見表1。

表1 醫用口罩相關標準及產品類別對比

如表1所示，3種類型的口罩執行標準和其適用場所是相互對應的，但標準中并未充分考慮到指標之間的相關性。目前，已有研究表明醫用口罩中的部分指標具有一定關聯性，如徐燕慧[3]研究發現醫用外科口罩細菌顆粒過濾效率結果隨著非油性顆粒過濾效率的增加呈上升趨勢，兩者呈正相關的關系。孫志略等[4]發現不同的氣體流量對顆粒物過濾效率和氣流阻力存在線性相關，相關系數可達0.9以上。

現如今，口罩供應已然滿足市場需求，口罩產品由“量”轉“質”成為人們愈發關注的焦點。高品質口罩不僅應具備良好的防護性能，同時也應兼顧較好的生理舒適性能[5]。而其中通氣阻力（壓力差）、透氣性是評價口罩舒適性能的重要指標。目前，對于醫用口罩通氣阻力（壓力差）和透氣性之間的關系鮮有研究和報道。本文以醫用口罩為研究對象，探索二者之間的關聯性，為口罩生產企業快速篩選原材料提供依據，對改進生產技術、評估產品性能提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗儀器

FX3300IV透氣性能測試儀（瑞士TEXTEST）；LFY-709醫用口罩交換壓力差測試儀（山東省紡織科學研究院）。

1.2 試驗材料

33批次醫用口罩（2020—2021年度委托送檢）。其中，30批次樣品為隨機選取口罩種類，另外3批次樣品分別為醫用外科口罩、一次性使用醫用口罩和醫用防護口罩。

1.3 測試方法

1.3.1 透氣性能測試

透氣性能的測試根據標準GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分：透氣性的測定》[6]，采用透氣性能測試儀測量，其中測試頭面積為20cm2；壓差設置為100Pa，計算透氣率R。

1.3.2 通氣阻力（壓力差）測試

通氣阻力（壓力差）的測試依據標準YY 0469—2011《醫用外科口罩》[7]中5.7條款和YY/T 0969—2013《一次性使用醫用口罩》[8]中5.6條款，采用醫用口罩交換壓力差測試儀測定，氣體流量設置為8L·min-1，樣品測試區直徑為25mm，試驗面積為4.9cm2，計算通氣阻力（壓力差）ΔP。

2 結果與分析

2.1 測試結果

2.1.1 同類型同批次口罩指標測試

分別選取3類口罩樣品測試透氣率R和通氣阻力ΔP，每種測試11組平行試樣，測試結果取平均值，并分別計算其相對標準偏差（RSD），3類口罩的透氣率R、通氣阻力（壓力差）ΔP的測定結果見表2。

表2 相同類型口罩測試數據

2.1.2 不同種類口罩指標測試

選取30批不同類型口罩樣品分別測試透氣率R和通氣阻力ΔP，每批測試3組試樣，測試結果取平均值，計算透氣率與通氣阻力乘積值，并按照乘積值的升序進行口罩樣品的編號，30 批次口罩的透氣率R、通氣阻力（壓力差）ΔP以及二者的乘積W的測定結果見表3。

表3 不同類型口罩測試數據

2.2 相關性分析

2.2.1 同類型同批次口罩透氣率R和通氣阻力（壓力差）ΔP相關性分析

根據表2中3類口罩測試結果計算口罩透氣率R和通氣阻力（壓力差）ΔP乘積值W，以測試次數為橫坐標，W為縱坐標繪制折點圖，見圖1。

圖1 3種類型口罩透氣率與通氣阻力乘積值折點圖

由圖1可以看出，3種類型口罩的透氣率和通氣阻力11次平行測量數據的乘積值都非常穩定，僅在較窄范圍內波動，可以認為同一廠家生產的同批類型樣品此兩項性能指標數據的乘積值近似為一定值。另外，通過表2分別計算同一類型口罩透氣率和通氣阻力11次測量值的相對標準偏差（RSD），發現3種口罩此兩項性能指標的RSD在0.97%～4.4%之間，均小于5%，進一步說明同類型同批次樣品該兩項性能指標數據的精密度高、重現性好。

2.2.2 不同類型口罩透氣率R和通氣阻力（壓力差）ΔP相關性分析

根據表3中30批口罩測試結果繪制口罩透氣率R和通氣阻力（壓力差）ΔP散點圖，以ΔP為橫坐標，R為縱坐標進行非線性擬合，見圖2。

圖2 透氣率與通氣阻力（壓力差）非線性擬合

由圖2可以看出，不同類型口罩透氣率和通氣阻力均有較大差異，并且從擬合曲線可以看出，當通氣阻力≤20 Pa/cm2時，試樣的透氣率明顯增大，而隨著通氣阻力的增加，透氣率逐漸降低，當通氣阻力≥60 Pa/cm2時，試樣的透氣率開始平緩降低。

通過擬合方程，得到R2=0.9755，將其開方后算出相關系數r=0.9877，說明透氣率與通氣阻力兩個性能指標的數值存在強相關性；而根據非線性擬合方程y=5286.8x-1.001，冪方程指數為-1.001，已經非常趨近于-1，也就是我們常見的反比例函數。

通過對比表3中的實際測量值可以進一步發現，透氣率P和通氣阻力ΔP之間的乘積值W基本在4700～5800之間波動，30組數據乘積值的平均值為5268.6，與擬合方程的常數系數非常接近，再次證明透氣率與通氣阻力之間存在反比例關聯性。

本文發現對于二者乘積值的存在波動性較大且擬合曲線略微偏離反比例函數的原因主要來自以下兩個方面：一是樣品自身均勻性帶來的影響，主要體現在口罩中間層為熔噴布材質，其獨特的毛細結構具有隨機性和不確定性；二是不同廠家采用不同種類的非織造材料，以及織造工藝間的差異，導致織物樣品的纖維密度、細度以及孔隙率等均有不同[9]，從而引起乘積值的波動以及擬合曲線的偏差。

綜合以上分析，透氣率和通氣阻力之間的反比例關系是證明存在的，但在不同材質的樣品間二者數據的乘積值會存在差異，需通過增大樣本量進行測試，并綜合考量樣品內和樣品間各因素的影響，待后續進一步研究和驗證。而在實際檢測應用中可以通過二者乘積值的近似常數對透氣率和通氣阻力值進行相互換算，即若已知標準測試條件下的透氣率，可以估算出相應條件下的通氣阻力，反之亦然。

3 結論

本文分別對醫用口罩的透氣率和通氣阻力（壓力差）兩個舒適性指標進行性能測試，并分析二者之間可能存在的關聯性，得出如下結論：

（1）對于同類型同批次口罩，透氣率與通氣阻力兩個性能指標的數值呈反比例關系，二者之間的乘積值為定值。

（2）不同類型的口罩，透氣率與通氣阻力之間的乘積值有所不同，實際應用時可取近似常數進行估算。

（3）透氣率與通氣阻力值之間的換算具有較好的實際應用意義，通過該兩項性能指標間的強關聯性，能夠為口罩生產企業快速篩選原材料，評估產品性能提供一定的技術參考。