口罩呼吸阻力与颗粒物过滤效率关联性分析及对策研究

文/杨德虎 朱珠 胡奕 刘建强

1 引言

新冠肺炎疫情暴发后，口罩成为疫情期间极为紧缺的防护物资。如今，在口罩供给逐渐满足市场需求后，口罩产品质量也成为人们密切关注的新热点[1]。颗粒物过滤效率是防护型口罩的关键技术要求之一，过滤效率越好的材料，对颗粒物滤除的能力越好，相应地通过口罩材料吸入的空气中的颗粒物越少[2]。而高质量的口罩不仅应具有良好的防护性能，还必须具有良好的生理舒适性能[3]。呼吸阻力是评价口罩舒适性能的重要指标，口罩阻力越小，人体佩戴口罩呼吸时感觉就会越顺畅。本文主要以国内外防护型口罩为研究对象，探索口罩呼吸阻力和颗粒物过滤效率之间的关联性，进一步分析影响口罩呼吸阻力与颗粒物过滤效率的主要因素并提出解决对策。希望能为消费者在选购口罩时提供参考信息，同时为口罩生产企业提供口罩产品质量分析数据，对改进口罩生产技术提供帮助。

2 试验

2.1 试验依据

GB 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中6.3、6.5和6.6条款。

2.2 试验仪器设备

呼吸阻力测试装置：DR246S口罩呼吸阻力测试仪（温州市大荣纺织仪器有限公司）；颗粒物过滤效率测试装置：DR251XL2颗粒物过滤效率测试仪（温州市大荣纺织仪器有限公司）。

2.3 检测条件及方法

2.3.1 呼吸阻力测试

（1）检测条件：通气量为（85±5）L/min。

（2）检测方法：检查检测装置的气密性及工作状态。将通气量调节至（85±1）L/min，并将检测装置的系统阻力设定为0。采取适当的措施，将被测样品以气密的方式佩戴在匹配的试验头模上，确保面罩佩戴位置正确，固定方式不应影响过滤元件的有效通气面积，也不应使面罩变形。测定并记录最大的吸气/呼气阻力。

2.3.2 颗粒物过滤效率测试

（1）检测条件：检测温度条件为（25±5）℃，相对湿度为（30±10）%，NaCl颗粒物浓度不应超过200mg/m3。

（2）检测方法：将过滤效率检测系统调整到检测状态，并调整相关测试参数。用适当的夹具将过滤元件以气密的方式连接在检测装置上。检测开始后，应连续记录过滤效率结果。

2.4 试验样品

试验样品均为呼吸防护自吸过滤式类型口罩，如图1所示。其中1#～6#样品为疫情期间境外国家向我国捐赠口罩；7#和8#样品为国内企业生产口罩。

图1 试验样品及试验仪器设备

1#、4#和6#样品来自沙特阿拉伯、法国等国家捐赠FFP2系列口罩，均执行欧盟标准EN 149:2001；2#和5#样品为韩国KF94口罩，均执行韩国标准KS M 6673-2008；3#样品为美国N95口罩，属于NIOSH认证产品；7#和8#样品为国内企业生产，均执行GB 2626—2019。罗胜利等[4]发表的《口罩国内外标准比较及质量问题分析》一文中，将执行欧盟标准EN 149的个体防护口罩、美国NIOSH认证的防颗粒物口罩与国内执行GB 2626的防护型口罩都归为日常生活空气污染环境下为滤除颗粒物所佩戴的防护型口罩。因此，试验样品中境外国家捐赠口罩可对标国内KN95或KP95型号口罩，本文统一采用GB 2626—2019进行测试分析。

3 试验数据及结果分析

3.1 试验数据

试验数据见表1。

3.2 结果分析

3.2.1 口罩过滤效率偏低时，其呼吸阻力一般也偏低。

通过表1试验数据分析可以看出，当口罩过滤效率偏低时，意味着其对颗粒物滤除的性能较差，而过滤性能较差的原因往往是因为口罩面料层数较少或材质较差，造成口罩透气性较好，从而导致口罩呼吸阻力偏低。

3.2.2 口罩呼吸阻力较大时，其过滤效率性能相对较好。

通过表1试验数据分析可以看出，口罩呼吸阻力偏大时，其过滤效率性能相对较好。口罩因生产工艺、面料材质等问题造成呼吸阻力较大时，意味着口罩透气性及舒适性较差时，同时也增强了口罩对颗粒物滤除的性能。

4 影响口罩呼吸阻力和颗粒物过滤效率性能的因素分析

4.1 口罩面料层数及材质质量直接影响呼吸阻力和颗粒物过滤效率性能

口罩面料层数方面：图2中展示1#和8#试样有5层，7#试样有4层，而2#和5#试样均为3层，4#试样只有2层。口罩材质质量方面：图2中展示6#试样虽然有4层，但除熔喷布外，其他3层材质都过于单薄，且密度[5]较低，几乎能直接透视物体。

图2 试样1#～8#口罩面料层数展示

结合表1数据分析：一是1#、7#和8#试样呼吸阻力均高于其他试样；二是4#和6#试样的过滤效率和呼吸阻力均低于其他试样。所以，口罩层数偏少或材质质量较差会直接影响口罩过滤效率和呼吸阻力偏低。

4.2 熔喷布层数对呼吸阻力影响较大

图2中展示1#、7#和8#试样熔喷布均有两层，2#、5#和6#试样熔喷布均只有一层。对照表1可以看到，拥有两层熔喷布的1#、7#、8#3个试样呼吸阻力比拥有一层熔喷布的2#、5#、6#试样高出许多。

表1 试样1#～8#过滤效率、呼气阻力、吸气阻力测试数据 %

4.3 熔喷布的处理工艺对呼吸阻力有一定影响

图3中展示只有1#、3#、7#、8#等4个试样拥有两层熔喷布。但1#、7#、8#3个试样的呼吸阻力远远高于3#试样。通过对熔喷布处理工艺分析[6]，仅有3#试样在两层熔喷布中间多一层类似于纤维纱网的材质，增加了口罩整体的透气性，降低了口罩呼吸阻力，增强口罩舒适性。

4.4 口罩的使用情况会对其颗粒物过滤效率性能产生一定影响

口罩佩戴者面部因人而异，且口罩设计尺寸和造型繁多，当选择适合自己脸型的口罩时，能提高口罩与面部的密合性，从而提高口罩防护效果，充分发挥口罩颗粒物过滤效率性能；相反，佩戴不合适面部的口罩，容易产生漏气，导致口罩颗粒物过滤效率性能降低。

5 提高口罩呼吸阻力和颗粒物过滤效率性能的对策

5.1 合理设计口罩面料层数。建议口罩面料层数设计为3层或4层，3层以下可能会导致过滤效率性能降低，而设计5层及以上可能造成呼吸阻力偏大。

5.2 保障口罩原材料产品质量。无论是熔喷布还是其他材料，必须取用质量合格的原材料，这样才能确保最终生产出来的口罩产品质量合格。

5.3 改进和创新口罩生产工艺。3#试样为美国生产N95型口罩，口罩有5层面料，其中包含2层熔喷布，过滤效率不低于99%，但与其他同样层数甚至更少层数的口罩相比，其呼吸阻力偏低，通气性好，舒适性强，究其原因在于美国口罩生产企业对多层熔喷布叠加进行了工艺改进。所以，国内口罩生产厂家应注重改进或创新口罩生产工艺和技术，进一步提高口罩产品质量。