口罩综合性能测试装置的研制

摘要：为了进一步提高口罩生产设备的智能化和自动化水平，根据口罩综合性能测试装置的研制需求，提出了能够同时用于过滤效率和气流阻力测试的便携式口罩测试装置的设计思路，对装置的结构、工作流程进行了分析。从口罩生产设备的智能化测试结果以及装置的性能测试结果来看，其能够满足口罩综合性能的检测需求。

关键词：口罩;综合性能;测试装置;设计思路

0 引言

2020年突如其来的疫情，使得人们纷纷开始佩戴口罩。口罩生产企业的日产量剧增，但口罩的性能全检能力跟不上，导致口罩质量无法实现百分百可控。同时，市面上的口罩类型多样，单纯依靠实验室抽样检测或人工检测均难以保证口罩防护性能达标，也不能满足市场供应需求，由此产生的漏检、缺检、逃检问题，让民众的身体健康得不到有效保障。因此，亟需研发口罩综合性能测试装置，突破口罩检测装置的关键技术，实现随机并实时进行口罩的全性能检测，能够严格管控口罩质量，为保证口罩质量的提升提供强有力的技术支撑。

1 口罩综合性能测试装置的研制思路

1.1    口罩测试需求

在口罩性能测试方面，需要对气流阻力、过滤效率等指标进行测试。测试过滤效率，可以确认口罩使用的滤料对有害物的滤除效果，如N95口罩过滤效率至少达到95%，属于1级，合格产品需要保证过滤效率指标测试达到要求。对过滤效率进行测试，能够反映口罩的佩戴舒适性，未能达到标准值将会造成佩戴者呼吸困难，甚至引发严重不适的情况[1]。如果气流阻力过小，将损害口罩过滤效果。

目前市面上的口罩类型、数量较多，想要保证口罩能够较好地发挥防护作用，还要加强口罩性能测试。而多数用于口罩性能测试的装置体积较大，适合在实验室或医疗机构中使用，难以满足企业、检测机构乃至普通消费者的使用需求。部分便携式口罩测试装置则只能进行几种口罩过滤性能测试，无法进行气流阻力等指标测试，同样无法满足口罩检测需求。因此应研制携带方便、功能丰富的口罩综合性能测试装置。

1.2    装置测试原理

结合装置研制需求，所设计的口罩综合性能测试装置原理如图1所示。利用头部模型，能够对使用口罩的实际工况进行模拟，装置吸气、呼气过程接近人工呼吸，能够对口罩与面部的闭合性进行测试，最终测得PM2.5去除效果和口罩气流阻力。将口罩固定在头部模型上后，可以将真空泵打开，并将流量计调节到指定流速位置。利用粒子计数器，能够对经过滤后的颗粒物浓度进行测试，确定口罩过滤效率。由于整个测试环境接近真实大气环境，并非对某种颗粒物进行模拟，因此测得的数据可以准确反映口罩过滤效率。从测试原理上来看，在流量确定的空气通过过滤材料后，计算口罩两侧颗粒物数量和内部颗粒物数量比值，可以得到口罩过滤效率[2]。总管路上设置压差计，对呼吸、吸气时的压差进行测量，能够确定口罩气流阻力。通过对气体流量进行调节，能够测试不同呼吸强度和频率下的口罩气流阻力。

2 口罩综合性能测试装置研制方法

2.1    装置结构设计

实际在装置开发阶段，需要做好各部分结构选择，确保装置功能可以顺利实现。在头部模型设计上，可以采用光滑皮质材料和钢材进行固定装置的设计，装置内部采用钢架构，头部外形和开口采用皮质材料，按照《中国成年人头型系列》要求进行制作。在模型内部设置连接硅胶管，采用180°笔直延伸连接方式，以免管路扭曲造成测试结构不准。在各部件连接上，还应选用弹力、回弹性较好的胶管，采用接口套叠方式连接，确保接口位置密封良好。采用的測试仪用于对颗粒物浓度进行测试，可以采用PostaCount测试仪，采用计数法对口罩两侧和内外空气颗粒物浓度进行测试。采用的流量计为LZT-15T浮子流量计，属于面板式仪器，在流体自下而上流过锥孔时，浮子上下将会有压差产生，促使浮子上升或下降[3]。在浮力、重力和黏性力三者的合力平衡时，能够根据流量与浮子高度比例关系进行流量测试。采用的计数器为DT-9880型，属于四合一计数器，其不仅可以浓度模式进行测量，也可对6种粒径通道进行测量，最小可达到0.3 μm的检测直径，分辨率能够达到1 μg/m3。抽气泵为HG-120旋涡气泵，最大能够达到36 m3/h的气流量，可以吸气或吹气。选择的各种仪器结构紧凑、质量轻，使得研制出的口罩综合性能测试装置总体质量较轻，能够满足携带需求，为装置使用提供便利。

2.2    装置工作流程

从装置工作流程上来看，使用该装置进行口罩综合性能测试，需要先将口罩佩戴在头部模型上，对人体正常佩戴口罩时的口罩闭合程度进行模拟。启动抽气泵模拟人呼吸，利用单向阀对吸气和呼气时的气体流向进行控制。调整气体流量，能够对人体平静、轻微运动、激烈运动等不同状态下的呼吸状态进行模拟。在测试过程中，压差表能够记录管路压力值，测试仪可以完成空气颗粒物浓度检测。流量计用于检测气体流量，根据显示的数值将流量调节至指定数值后，可以抽气1 min，然后呼气1 min。测试期间，考虑到气体流量将给口罩过滤性能带来影响，还要合理设定气体流量。在中等体力劳动中，人体呼吸量在30 L/min左右，呼吸状态呈正弦曲线变化，最高呼吸速度能够达到平均速度的3倍左右，约94 L/min。参考国际上的检测规定，可以将标准检测流量设定为85 L/min。在实际测试过程中，对不同状态下的人体呼吸状态进行模拟，可以分别使气体流量达到30 L/min、85 L/min和94 L/min。计数器可以对被测内外环境中的颗粒物浓度进行测定，通过内外环境连接管使粉尘颗粒到达计数器，检测得到的结果可以用于计算口罩的过滤效率。

2.3    装置功能测试

为了确定装置是否能够用于口罩综合性能测试，选取了医疗机构使用量较大的5种口罩进行测试，包含N95型杯状口罩、拱形绑带N95口罩、折叠型N95医用口罩、KN95口罩、一次性医用口罩。

从过滤效率测试结果来看，N95口罩均能达到95%以上的过滤效率，在气体流量提升至94 L/min时依然可以达到97.1%的过滤效率，因此能够达到相关标准要求。KN95口罩和医用口罩在30 L/min条件下过滤效率分别可以达到99.7%和95.2%;在气体流量提升至85 L/min后，分别达到96.1%和79.4%;在气体流量提升至94 L/min后，分别达到94.7%和62.5%。由此可见，过滤效率最好的是N95口罩，其次为KN95口罩，一次性医用口罩只能用于日常防护。

从气流阻力测试结果来看，N95口罩测试结果在185～218 Pa，KN95和一次性医用口罩气流阻力分别为168 Pa和110 Pa，均能够满足标准要求。相比较而言，绑带口罩气流阻力最大，因为头部绑带使得口罩与面部紧固贴合，同时拱形口罩边缘经过密封处理，密合性较高。相较于立体杯罩，折叠型口罩经过平滑处理，与面部贴合较好，因此气流阻力稍大。

3 结语

综上所述，通过合理设计口罩综合性能测试装置，可使装置体积小、重量轻，并可同时用于开展过滤效率和气流阻力测试，该装置适用于各种环境下及各种口罩的性能检测。在疫情严峻或常态化防疫的情况下，口罩需求量大增，该装置的使用能够有效保证口罩的防护性，具有较好的应用前景。

[参考文献]

[1] 李莎，王赛，牛梅，等.纳米银抗菌防雾霾口罩的设计与性能测试研究[J].化工新型材料，2019，47（2）：247-251.

[2] 潘宇枫.关于新型口罩过滤性能的测试分析[J].科技风，2018（30）：13.

[3] 张柯，胡凌飞，靳爱军，等.五种防护口罩的面形密合度定量测试比较[J].中国医药生物技术，2018，13（2）：117-122.

收稿日期：2020-06-02

作者简介：曾俊福（1978—），男，广东揭西人，工程师，主要从事项目研发工作。