通气阻力对口罩防护性能的影响

戴有刚，孙祖军，成松涛

（江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210000）

口罩是疫情期间极为重要的防护物资，而过滤效率、通气阻力和防护效果是评价口罩质量的重要指标。过滤效率表明了罩体材料过滤颗粒物的能力；通气阻力是人体佩戴口罩呼吸时产生的阻力大小，与熔喷过滤材料的孔径、厚度等因素有关；防护效果是评价口罩阻隔颗粒物的整体能力。佩戴口罩时，影响自吸过滤式防护口罩防护效果的因素较多，主要归结于两点：一是防护口罩滤材本身具有过滤性能；二是口罩轮廓边缘与人体面部脸颊、鼻梁之间的密合度不佳而导致的渗漏程度[1-2]。口罩的密合性与口罩的形状、耳带、鼻夹质量等因素有关。过滤效率是口罩熔喷布的核心指标，在测定过滤效率时，同时得到该条件下口罩两端的压力值。由于该结果是在口罩四周密封的条件下测得的，数据稳定可靠且完全反映了气体通过口罩材料的阻力大小，因此称其为口罩的通气阻力。通气阻力除了对佩戴舒适性有影响外，也影响口罩与佩戴者面部的气体流动状态。穿透口罩熔喷布的通气阻力与口罩和面部结合处的泄漏阻力是相互影响的动态平衡关系。下文研究了通气阻力对口罩防护效果的影响及其对优化口罩滤材设计、提升口罩质量的重要作用。

1 试验部分

1.1 样品

在自留检测样品中，选取尺寸一致的主流尺寸口罩（平面口罩约为175 mm×95 mm，立体折叠式口罩尺寸约为鼻高60 mm、中高65 mm、下颚高65 mm）。测试时，各口罩与头模具有相似的良好贴合程度。相似的尺寸和结构旨在排除口罩样式、尺寸对试验结果的影响，各平面口罩和折叠式口罩样式相似，如图1所示。

图1 两种口罩样式

1.2 设备

设备选择美国TSI 8130自动滤料检测仪、防护效果试验仪。

1.3 方法

过滤效率、防护效果按照GB/T 32610—2016[3]测定。过滤效率的气流量为85 L/min，盐性介质。测定过滤效率时，记录试样两面的压力，作为试样通气阻力。

数据分析采用SPSS进行两因素线性回归分析，得出回归模型，并通过F检验、t检验评价模型和各因素对防护效果影响的显著性。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

本试验分别测试平面口罩和折叠立体口罩的过滤效率、通气阻力和防护效果，检验结果如表1、表2、表3、表4所示；平面口罩和折叠立体口罩的统计数据差异如表5所示。

表1 平面口罩的结果及统计

表2 线性回归分析结果（n=30）

表3 折叠立体口罩的结果及统计

表4 线性回归分析结果（n=20）

表5 平面口罩和折叠立体口罩的统计数据差异

2.2 分析和讨论

2.2.1 通气阻力对防护效果的影响机理

口罩的防护效果不仅与熔喷布的过滤效率有关，还与口罩的密闭性能有关。当佩戴者吸气时，口罩腔体内产生负压（P负）。在内外压力差的作用下，气体由口罩外向口罩内流动。口罩具有一定的密合性，在良好的佩戴条件下，气体在口罩边缘处发生显著泄漏时需达到一定压力（P泄）。当口罩熔喷布的通气阻力（P通）较小时，P泄远大于P通。在负压（P负）的作用下，气体穿透熔喷布进入口罩，使P负减小，P负小于P泄，口罩边缘不发生泄漏或泄漏程度较低。此时，环境颗粒物被口罩过滤介质阻隔而起到防护作用，当通气阻力P通增大时，气体穿透熔喷布的量减少，吸气产生的负压无法降低，在口罩边缘泄漏阻力小于口罩内负压的情况下，携有颗粒物的气体将从边缘泄漏，导致防护效果下降。

需要注意的是，在实际佩戴过程中，当口罩的密闭性不良时，口罩边缘天然存在空隙，在吸气时必然发生边缘泄漏。因此，P泄不是产生泄漏的压力阈值，而是某一泄漏量发生时所需的压力值，且P泄是动态变化的。假设在理想状态下，空隙的尺寸、形状保持不变，在泄漏一定量的情况下，口罩内外压力差决定了通过空隙的流速大小，最终决定了泄漏量。因此，当P通较大时，口罩内P负较大，若P负大于P泄，会使边缘泄漏量增加，反之，泄漏量则减少。

2.2.2 通气阻力对平面口罩防护效果的影响

由表1、表2可知，以平面口罩的过滤效率和通气阻力作为自变量、防护效果作为因变量进行线性回归分析，回归模型公式如下：防护效果=34.957＋0.540×过滤效率－0.229×通气阻力，模型R2为0.866。R2的数值反映了在因变量的变动中由自变量变动所解释的百分比，即因变量的变化中有多少百分比可由控制的自变量来解释。因此，过滤效率和通气阻力可以解释平面口罩防护效果发生86.60%变化的原因。F检验（F=87.419，p=0<0.05）表明过滤效率和通气阻力对防护效果的影响极为显著，线性回归模型具有代表性。过滤效率的回归系数为0.817（t=16.411，p=0<0.01），通气阻力的回归系数为﹣0.368（t=﹣23.920，p=0<0.01）。结果表明，过滤效率会对平面口罩的防护效果产生极显著的正向影响，而通气阻力会对平面口罩的防护效果产生极显著的负向影响，且过滤效率的影响程度大于通气阻力。

2.2.3 通气阻力对折叠立体口罩防护效果的影响

由表3、表4可知，折叠立体口罩的线性回归公式如下：防护效果=﹣8.252＋0.902×过滤效率－0.063×通气阻力，模型R2为0.530。因此，对于折叠立体口罩，过滤效率和通气阻力可以解释防护效果发生53.00%变化的原因。F检验（F=9.570，p=0.002<0.05）表明过滤效率和通气阻力对防护效果会产生极显著的影响，线性回归模型具有代表性。过滤效率的回归系数为0.902（t=3.885，p=0.001<0.01），表明过滤效率会对防护效果产生极显著的正向影响。通气阻力的回归系数为﹣0.063（t=﹣2.158，0.01

2.2.4 通气阻力对平面口罩和折叠立体口罩防护效果的影响差异

由表5可知，平面口罩的通气阻力回归系数为﹣0.368，折叠立体口罩的通气阻力回归系数为﹣0.063，通气阻力对平面口罩的影响程度大于折叠立体口罩。这是因为立体口罩的闭合性优于平面口罩，平面口罩贴合处存在更大的空隙，当材料的通气阻力较大时，空气易从四周进入，使口罩内负压降低。例如平面样品20，当通气阻力达到259.0 Pa时，防护效果只有28.00%，明显低于相同过滤效率的样品；对于立体口罩，由于闭合性优于平面口罩，短时间内空气从四周泄漏的量相对较少，使口罩内交换空气总量较少，易产生死腔和憋闷感。由于未发生大量泄漏和穿透，折叠立体口罩仍取得了较好的防护效果。由此可见，通气阻力对平面口罩的影响明显大于立体口罩。例如立体样品19，其通气阻力高达300.00 Pa，仍可测得71.00%的防护效果。

2.2.5 其他因素对平面口罩和折叠立体口罩防护效果的影响

由表5可知，平面口罩的回归模型R2为0.866，大于折叠立体口罩的0.530。过滤效率和通气阻力是平面口罩防护效果的主要影响因素，而对于折叠立体口罩，过滤效率和通气阻力以外的其他因素对其防护效果也有较大影响。平面口罩的结构相对简单，本试验选择的样品尺寸几乎一致，鼻夹良好，因此，其他影响因素较少；而立体口罩的结构复杂，口罩的鼻部、下颌尺寸和弧度、贴合部位的软硬程度、耳带拉力等细节设计直接影响闭合性差异，因此，良好的设计对立体口罩更重要。

2.2.6 平面口罩和立体口罩的其他性能差异

由表5可知，平面口罩的防护效果为50.70%，通气阻力为132.0 Pa，两者低于折叠立体口罩的65.10%、153.3 Pa。总体来看，立体口罩的防护效果更好，平面口罩通气阻力较小，舒适性更高。

3 结论

（1）通气阻力决定了吸入空气通过过滤材料的容易程度，通气阻力越大，口罩负压较大，易发生泄漏。

（2）过滤效率和通气阻力是影响口罩防护性能的重要因素，防护效果与过滤效率、通气阻力具有一定的线性关系，可建立二元线性回归模型。

（3）口罩的过滤效率对防护效果的影响大于通气阻力。

（4）通气阻力对平面口罩防护效果的影响程度大于折叠立体口罩。

（5）折叠立体口罩的防护效果更好，平面口罩的通气阻力较小，舒适性更高。