平面口罩結構尺寸參數與密合性的關聯機制研究

琚欽涵，孫啟龍，楊 森，龍嘯云

(1.南通大學 安全防護用特種纖維復合材料研發國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南通 226019； 2.江蘇省特種安全防護產品質量監督檢驗中心，江蘇 泰州 225300)

新冠疫情爆發以來，為了防控病毒，口罩已經成為醫護人員以及人民群眾日常生活[1-3]中不可缺少的個體防護裝備[4-6]。口罩作為我國重要的防疫抗疫物資，其安全性能指標[7-8]的合格性至關重要[9-10]。密合性是評價口罩安全性能的一項重要指標，也叫泄漏性或防護效果，反映了口罩邊緣與使用者面部的貼合程度。當佩戴密合性較差的口罩時，顆粒物容易從口罩邊緣泄漏到口腔內部導致感染，威脅佩戴者的安全。

在全球新冠疫情爆發之前，國內外的口罩產業存在產量小、生產企業少，且與之相關的科學研究也較為薄弱的特點[11]，然而，在新冠疫情防控過程中，口罩對疫情防護的重要性得到證實，其需求量在防疫初期呈幾何級數增長。在此背景下，臨時轉型生產口罩的企業大幅增加，甚至有部分從未接觸過口罩生產，或從未涉及紡織品生產加工的企業，也開始生產各類防護用品，致使市面上的口罩質量參差不齊。前期調研了江蘇省安全防護產品質量監督檢驗中心、中紡標檢驗認證股份有限公司等國內權威檢測認證機構，得到的數據顯示，疫情期間送檢的口罩樣品中，一次性口罩和醫用外科口罩等平面口罩的密合性合格率僅為20%～30%[12]。追本溯源，便是大量生產企業缺乏必要的生產經驗和技術，生產的口罩結構尺寸參數選配不合理[13-15]，與佩戴者的頭、面部尺寸吻合度較差[16]，貼合程度較低，致使其密合性未達到相應標準。故常在醫院中看到醫護人員為了防止被病毒感染[17]，會佩戴多層口罩并牢牢扎緊，而進行這種舉措的主要目的就是提高所戴口罩的密合性。

針對這一問題，本文采用單因素變量法，通過改變口罩的長度、寬度等影響口罩密合性的關鍵結構參數，分析這些結構參數對口罩與面部貼合程度的影響規律，以期揭示其中的關聯機制，提高口罩的密合性，為企業生產研發提供一定的數據和理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚丙烯紡粘非織造布(面密度30 g/m2，浙江華晨非織造布有限公司)；聚丙烯熔噴非織造布(面密度30 g/m2，過濾效率80%，睿司普新材料科技有限公司)；雙芯鋁鼻梁條(寬度5.0 mm，厚度1.0 mm，金億鼎塑料科技有限公司)；耳帶(義烏法娜化妝品有限公司)；YWTOQ熱熔封邊機、點焊機(雅雯機械有限公司)；氣缸(雷亞機電設備有限公司)；Instron 5956型萬能材料試驗機(英斯特朗實驗設備貿易有限公司)。

1.2 口罩制備流程

遵循單一變量實驗的原則，按照實驗設計，選擇合適的熔噴非織造布和相應面密度的紡粘非織造布，按照圖1所示的結構疊放后進行裁剪，并放入相應長度的鼻梁條。然后按照折疊寬度1.0 cm，折疊數目為3的規格將多層非織造布折疊并放置于熱熔封邊機上，熔合口罩的4邊，再將多余布料修剪。最后，采用點焊機將相應長度的耳帶條復合在里層紡粘非織造布上，完成口罩樣品的制備。

圖1 口罩結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of mask structure

1.3 實驗方案

通過單因素實驗法，分析口罩長度、口罩寬度、鼻梁條長度和耳帶條長度4個因素對日常防護平面型口罩密合性的影響。具體實驗方案為：固定口罩寬度9.5 cm，鼻梁條長度10.0 cm，耳帶條長度19.0 cm，樣品A1～A5口罩長度分別取16.5、17.0、17.5、18.0、18.5 cm；固定口罩長度17.5 cm，鼻梁條長度10.0 cm，耳帶條長度19.0 cm，樣品B1～B5口罩寬度分別取8.5、9.0、9.5、10.0、10.5 cm；固定口罩長度17.5 cm，口罩寬度9.5 cm，耳帶條長度19.0 cm，樣品C1～C5鼻梁條長度分別取9.0、10.0、11.0、12.0、13.0 cm；固定口罩長度17.5 cm，口罩寬度9.5 cm，鼻梁條長度10.0 cm，樣品D1～D5耳帶條長度分別取16.0、17.0、18.0、19.0、20.0 cm。將各類樣品進行密合性測試，并進行相關分析。

1.4 性能測試

口罩密合性參照GB/T 32610—2016《日常防護型口罩技術規范》附錄B中顆粒物防護效果的測試方法進行測試，再按公式進行計算：

P=(C1-C2+C0)/C1×100%

式中：P表示防護效果；C1表示實驗過程中測試倉內測試介質濃度，mg/m3；C2表示實驗過程中通過頭模呼吸管道吸入氣體內測試介質濃度，mg/m3；C0表示被測面罩內顆粒物本底濃度，mg/m3。測試時需同時監測C1、C2的數值，并計算每個采樣時刻樣品的密合性數值，整個過程中所獲得的最小P值用于表示該樣品的密合性。

耳帶拉伸彈性參照FZ/T 60021—2021《織帶產品物理機械性能試驗方法》，對耳帶條的定力伸長率和彈性回復率進行測試。

2 結果與分析

2.1 口罩長度對密合性的影響規律

當固定口罩寬度9.5 cm，鼻梁條長度10.0 cm，耳帶條長度19.0 cm，口罩長度分別取16.5、17.0、17.5、18.0、18.5cm時，口罩長度對其密合性的影響規律見圖2。

圖2 口罩長度對其密合性的影響規律Fig.2 Influence of mask length on its tightness

可見，不同口罩佩戴在小、中、大3個規格頭模上的密合性均呈現出先上升后下降的規律。將口罩樣品在小號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩長度從16.5 cm增大至17.0 cm時，其密合性呈上升趨勢，由36.5%提升至43.1%；當口罩長度從17.0 cm增大至18.5 cm時，其密合性卻呈下降趨勢，由43.1%下降至31.4%。將口罩樣品在中號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩長度從16.5 cm增大至17.0 cm時，其密合性顯著上升，由61.2%提升至75.2%；當口罩長度從17.0 cm增大至18.5 cm時，其密合性大幅下降，由75.2%降至51.4%。將口罩樣品在大號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩長度從16.5 cm增大至17.5 cm時，其密合性上升，由25.5%提升至39.5%；當口罩長度由17.5 cm增大至18.5 cm時，其密合性大幅下降，由39.5%迅速降至23.9%。

從圖2還能看出，當口罩長度發生變化時，口罩佩戴在中號頭模上的密合性最好。同時，在實際產品檢測中選擇中號頭模進行檢測居多，因而分析口罩長度分別為16.5、17.0和18.0 cm時，佩戴在中號頭模上的貼合度，以揭示導致密合性變化的內在原因，不同口罩長度時中號頭模的貼合效果圖見圖3。

圖3 不同口罩長度時中號頭模的貼合效果圖Fig.3 Fitting effect pictures of middle size head mold with different mask lengths

如圖3(a)所示，當口罩長度為16.5 cm時，口罩側方邊緣處與臉部貼合度較差，出現了較寬較長的泄漏區域，這說明對于密合性來說，口罩的長度并不是越短越好，過短時反而容易因為耳帶拉扯過緊而導致較大形變，造成顆粒物泄漏，使得口罩的密合性較低。如圖3(b)所示，當口罩長度為17.0 cm時，口罩側方、鼻梁處、下方邊緣處與臉部貼合度均較好，無明顯泄漏點，因而口罩密合性好。如圖3(c)所示，當口罩長度為18.0 cm時，口罩與臉部貼合度較差，泄漏區域主要集中在鼻梁處、顴骨處以及臉頰，易造成顆粒物大量泄漏，導致口罩密合性下降。因而得出結論：口罩長度過短或過長均會導致密合性下降，當口罩長度為17.0cm時密合性最佳(針對中號頭模)。前期經市場調研得知，市面上大部分平面口罩的長度為17.5 cm左右，因此后續章節以此為參考依據，均設定口罩長度為17.5 cm進行分析。

2.2 口罩寬度對密合性的影響規律

當固定口罩長度為17.5 cm，鼻梁條長度為10.0 cm，耳帶條長度為19.0 cm，口罩寬度分別取8.5、9.0、9.5、10.0、10.5cm時，口罩寬度對其密合性的影響規律見圖4。

圖4 口罩寬度對其密合性的影響規律Fig.4 Influence of mask width on its tightness

從圖4可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3個規格的頭模上所檢測出的密合性基本上呈現出先上升后下降的規律。將口罩樣品在小號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩寬度從8.5 cm增大至9.0 cm時，其密合性呈上升趨勢，由37.3%提升至42%；當口罩寬度從9.0 cm增大至10.5 cm時，其密合性呈大幅下降趨勢，由42%迅速下降至18%。將口罩樣品在中號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩寬度從8.5 cm增大至9.5 cm時，其密合性大幅上升，由39%迅速上升至72.8%；當口罩寬度從9.5 cm增大至10.5 cm時，其密合性明顯下降，由72.8%迅速降至31.9%。將口罩樣品在大號頭模上佩戴并進行實驗，當口罩寬度從8.5 cm增大至9.0 cm時，其密合性呈上升趨勢，由20.5%提升至39.5%；當口罩寬度從9.0 cm增大至10.5 cm時，其密合性呈下降趨勢，由39.5%下降至27.5%。

同時，還可以看出，當口罩寬度發生變化時，口罩佩戴在中號頭模上的密合性最好，在小號、大號頭模上的密合性差。這可能是因為GB/T 32610—2016《日常防護型口罩技術規范》中所規定的中號頭模的項目參數與大部分中國成年人頭面部尺寸吻合度較好，這與現有口罩結構設計時所參照的頭面部項目參數較為接近，因此密合性較好。而小號頭模和大號頭模代表的是少部分人的面部尺寸，與口罩的吻合度低，因此密合性較差。

為了揭示口罩密合性隨著寬度變化而變化的原因，探究口罩寬度分別為8.5、9.5 和10.5 cm時佩戴在中號頭模上的貼合效果，結果如圖5所示。

圖5 不同口罩寬度時中號頭模的貼合效果圖Fig.5 Fitting effect pictures of middle size head mold with different mask widths

從圖5可以看出，當口罩寬度為8.5 cm時，口罩與臉部貼合度較差，泄漏點主要集中在鼻梁處和臉頰，這說明寬度較小時口罩無法對頭面部關鍵部位進行全面覆蓋，易造成顆粒物大量泄漏，使得口罩密合性較差。當口罩寬度為9.5 cm時，口罩與臉頰、下巴等關鍵部位貼合度較好，可以有效防止顆粒物泄漏，口罩密合性好。當口罩寬度為10.5 cm時，雖然可以覆蓋臉頰、下巴等顆粒物易泄漏關鍵部位，但是出現了口罩側面邊緣變形等現象，與頭模之間的貼合度較差，從而導致顆粒物泄漏，口罩的密合性大幅下降，這說明寬度并不是越大越好，需要根據成年人的面部尺寸合理選擇口罩的寬度參數。因而得出結論：當口罩寬度為9.5cm時密合性最佳(針對中號頭模)。

2.3 口罩鼻梁條長度對其密合性的影響規律

當固定口罩長度為17.5 cm，口罩寬度為9.5 cm，耳帶條長度為19.0 cm，鼻梁條長度分別取9.0、10.0、11.0、12.0、13.0 cm時，口罩鼻梁條長度對其密合性的影響規律見圖6。

圖6 口罩鼻梁條長度對其密合性的影響規律Fig.6 Influence rule of mask nasal girdle length on its tightness

從圖6可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3個規格頭模的密合性均呈現出先上升后下降的規律。將口罩樣品在小號頭模上佩戴并進行實驗，當鼻梁條長度從9.0 cm增大至10.0 cm時，口罩的密合性呈上升趨勢，由36%提升至37.4%；當鼻梁條長度從10.0 cm增大至13.0 cm時，口罩的密合性呈下降趨勢，由37.4%下降至28.3%。將口罩樣品在中號頭模上佩戴并進行實驗，當鼻梁條長度從9.0 cm增大至10.0 cm時，口罩的密合性顯著上升，由54.6%提升至63.5%；當鼻梁條長度從10.0 cm增大至13.0 cm時，口罩的密合性大幅下降，由63.5%迅速下降至52.8%。將口罩樣品在大號頭模上佩戴并進行實驗，當鼻梁條長度由9.0 cm增大至11.0 cm時，口罩的密合性大幅上升，由21.5%迅速提升至47.8%；當鼻梁條長度從11.0 cm增大至13.0 cm時，口罩的密合性呈下降趨勢，由47.8%下降至42.2%。

同時，還可以看出，當口罩鼻梁條長度發生變化時，口罩佩戴在中號頭模上的密合性最好，在小號頭模上的密合性最差。

為了揭示口罩密合性隨著鼻梁條長度變化而變化的原因，探究口罩鼻梁條長度分別為9.0、10.0和13.0 cm時，佩戴在中號頭模上的貼合效果，結果如圖7所示。

圖7 不同口罩鼻梁條長度時中號頭模的貼合效果圖Fig.7 Fitting effect pictures of middle size head mold with different lengths of mask nasal girdle

從圖7可以看出，當口罩鼻梁條長度為9.0 cm時，口罩上沿與鼻梁處的貼合度不夠好。當口罩鼻梁條長度為10.0 cm時，口罩上沿與鼻梁處，顴骨處貼合度較好，無明顯泄漏點，因而口罩密合性最好。從10.0 cm增大至13.0 cm時，口罩鼻梁條長度過長，若要與面部曲線較好貼合變得更為困難，泄漏點主要集中在鼻梁處、顴骨處，易造成顆粒物泄漏，導致口罩密合性下降。得出結論：當口罩鼻梁條長度為10.0cm時密合性最佳(針對中號頭模)。

2.4 耳帶條長度對口罩密合性的影響規律

材料相同時，耳帶條長度不同會導致口罩的密合性相差較大。由于耳帶條的拉伸彈性和長度都會對口罩的密合性能造成影響，為了更好地研究耳帶條長度對口罩密合性的影響，先進行耳帶條的拉伸彈性測試，測試結果見圖8。拉伸耳帶條試樣至定力值14.7 N，測其長度，可知耳帶長度從16.0 cm增大至20.0 cm，計算得耳帶條的定力伸長率在150%～160%內波動，定力彈性回復率在區間93%～96%內波動，基本保持一致，因此可以排除耳帶拉伸彈性對實驗最后結果的影響。

圖8 不同長度耳帶的拉伸彈性Fig.8 Effect of length of ear band on tensile elasticity

固定口罩長度為17.5 cm，口罩寬度為9.5 cm，鼻梁條長度為10.0 cm，耳帶條長度分別取16.0、17.0、18.0、19.0、20.0 cm時，口罩耳帶條長度對其密合性的影響規律見圖9。

圖9 口罩耳帶條長度對其密合性的影響規律Fig.9 Influence rule of mask ear girdle length on its tightness

從圖9可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3個規格頭模的密合性均呈現出持續下降的規律。在耳帶條長度由16.0 cm增大至20.0 cm的過程中，當口罩樣品佩戴在小號頭模上時，其密合性呈下降趨勢，由40.3%下降至19.3%；當口罩樣品佩戴在中號頭模上時，其密合性大幅下降，由76.5%下降至43%；當口罩佩戴在大號頭模上時，密合性呈下降趨勢，由44.4%下降至35.5%。

同時，還可以看出，當口罩耳帶條長度發生變化時，口罩佩戴在中號頭模上的密合性最好，在小號頭模上的密合性最差。

為了揭示口罩密合性隨著耳帶條長度變化而變化的原因，探究口罩耳帶條長度分別為16.0 cm和20.0 cm時佩戴在中號頭模上的貼合效果，結果如圖10所示。可以看出，耳帶長度長短主要影響口罩側面邊緣與臉頰的貼合程度。當口罩耳帶條長度為16.0 cm時，口罩側方邊緣處與臉部貼合度較好，未出現明顯泄漏點，因而口罩的密合性較好。當口罩耳帶條長度為20.0 cm時，耳帶較為松散，沒有能夠提供的足夠的張力，口罩側方邊緣處與臉部貼合度較差，出現了較寬較長的泄漏點，因而口罩的密合性較低。得出結論：當口罩耳帶條長度為16.0cm時密合性最佳(針對中號頭模)。

圖10 不同口罩耳帶條長度時中號頭模的貼合效果圖Fig.10 Fitting effect pictures of middle size head mold with different lengths of mask ear girdle

3 結 論

為了探究結構尺寸參數和口罩密合性的關聯機制，通過改變口罩結構參數，并對樣品進行測試，得出以下結論：口罩的長度、寬度、鼻梁條長度、耳帶長度等關鍵參數均對密合性有較大的影響；顆粒物泄漏區域主要集中在鼻梁、臉頰、顴骨以及下巴等處；當改變口罩長度(16.5 ～18.5 cm)、口罩寬度(8.5 ～10.5 cm)、鼻梁條長度(9.0～13.0 cm)時，口罩密合性均表現出先上升后下降的趨勢；當改變耳帶長度(16.0～20.0 cm)時口罩密合性呈下降趨勢；同時，口罩佩戴在中號頭模上時密合性最高，且當固定口罩長度為17.5cm時，口罩寬度為9.5cm、鼻梁條長度為10.0cm、耳帶條長度為16.0 cm時密合性最佳。本文對口罩的結構參數進行了優化，為后續口罩密合性的提升提供了數據參考。