医用口罩透气性与通气阻力（压力差）的相关性研究

文/潘全 徐小方 万小蕙

医用口罩作为日常使用的防护用品一般采用3层设计，外层为阻水层，可防止飞沫喷溅；中间层为过滤层，一般为聚丙烯熔喷无纺布，静电作用能够有效吸附和过滤细菌及其他细微颗粒；内层为抗湿层，具有防潮透气功能。由于呼吸道飞沫和接触传播是新型冠状病毒的主要传播途径，良好的呼吸防护措施不仅是医护工作者在一线冲锋陷阵的强大装备，同时也是广大公众预防新型冠状病毒扩散的最佳保护屏障[1]，医用口罩对于气溶胶、飞沫、病原微生物等具有较好的过滤防护效果。

目前，我国按照医疗器械管理且有相应标准出台的医用口罩主要有3种类型：医用防护口罩、一次性使用医用口罩和医用外科口罩[2]。详见表1。

表1 医用口罩相关标准及产品类别对比

如表1所示，3种类型的口罩执行标准和其适用场所是相互对应的，但标准中并未充分考虑到指标之间的相关性。目前，已有研究表明医用口罩中的部分指标具有一定关联性，如徐燕慧[3]研究发现医用外科口罩细菌颗粒过滤效率结果随着非油性颗粒过滤效率的增加呈上升趋势，两者呈正相关的关系。孙志略等[4]发现不同的气体流量对颗粒物过滤效率和气流阻力存在线性相关，相关系数可达0.9以上。

现如今，口罩供应已然满足市场需求，口罩产品由“量”转“质”成为人们愈发关注的焦点。高品质口罩不仅应具备良好的防护性能，同时也应兼顾较好的生理舒适性能[5]。而其中通气阻力（压力差）、透气性是评价口罩舒适性能的重要指标。目前，对于医用口罩通气阻力（压力差）和透气性之间的关系鲜有研究和报道。本文以医用口罩为研究对象，探索二者之间的关联性，为口罩生产企业快速筛选原材料提供依据，对改进生产技术、评估产品性能提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验仪器

FX3300IV透气性能测试仪（瑞士TEXTEST）；LFY-709医用口罩交换压力差测试仪（山东省纺织科学研究院）。

1.2 试验材料

33批次医用口罩（2020—2021年度委托送检）。其中，30批次样品为随机选取口罩种类，另外3批次样品分别为医用外科口罩、一次性使用医用口罩和医用防护口罩。

1.3 测试方法

1.3.1 透气性能测试

透气性能的测试根据标准GB/T 24218.15—2018《纺织品 非织造布试验方法 第15部分：透气性的测定》[6]，采用透气性能测试仪测量，其中测试头面积为20cm2；压差设置为100Pa，计算透气率R。

1.3.2 通气阻力（压力差）测试

通气阻力（压力差）的测试依据标准YY 0469—2011《医用外科口罩》[7]中5.7条款和YY/T 0969—2013《一次性使用医用口罩》[8]中5.6条款，采用医用口罩交换压力差测试仪测定，气体流量设置为8L·min-1，样品测试区直径为25mm，试验面积为4.9cm2，计算通气阻力（压力差）ΔP。

2 结果与分析

2.1 测试结果

2.1.1 同类型同批次口罩指标测试

分别选取3类口罩样品测试透气率R和通气阻力ΔP，每种测试11组平行试样，测试结果取平均值，并分别计算其相对标准偏差（RSD），3类口罩的透气率R、通气阻力（压力差）ΔP的测定结果见表2。

表2 相同类型口罩测试数据

2.1.2 不同种类口罩指标测试

选取30批不同类型口罩样品分别测试透气率R和通气阻力ΔP，每批测试3组试样，测试结果取平均值，计算透气率与通气阻力乘积值，并按照乘积值的升序进行口罩样品的编号，30 批次口罩的透气率R、通气阻力（压力差）ΔP以及二者的乘积W的测定结果见表3。

表3 不同类型口罩测试数据

2.2 相关性分析

2.2.1 同类型同批次口罩透气率R和通气阻力（压力差）ΔP相关性分析

根据表2中3类口罩测试结果计算口罩透气率R和通气阻力（压力差）ΔP乘积值W，以测试次数为横坐标，W为纵坐标绘制折点图，见图1。

图1 3种类型口罩透气率与通气阻力乘积值折点图

由图1可以看出，3种类型口罩的透气率和通气阻力11次平行测量数据的乘积值都非常稳定，仅在较窄范围内波动，可以认为同一厂家生产的同批类型样品此两项性能指标数据的乘积值近似为一定值。另外，通过表2分别计算同一类型口罩透气率和通气阻力11次测量值的相对标准偏差（RSD），发现3种口罩此两项性能指标的RSD在0.97%～4.4%之间，均小于5%，进一步说明同类型同批次样品该两项性能指标数据的精密度高、重现性好。

2.2.2 不同类型口罩透气率R和通气阻力（压力差）ΔP相关性分析

根据表3中30批口罩测试结果绘制口罩透气率R和通气阻力（压力差）ΔP散点图，以ΔP为横坐标，R为纵坐标进行非线性拟合，见图2。

图2 透气率与通气阻力（压力差）非线性拟合

由图2可以看出，不同类型口罩透气率和通气阻力均有较大差异，并且从拟合曲线可以看出，当通气阻力≤20 Pa/cm2时，试样的透气率明显增大，而随着通气阻力的增加，透气率逐渐降低，当通气阻力≥60 Pa/cm2时，试样的透气率开始平缓降低。

通过拟合方程，得到R2=0.9755，将其开方后算出相关系数r=0.9877，说明透气率与通气阻力两个性能指标的数值存在强相关性；而根据非线性拟合方程y=5286.8x-1.001，幂方程指数为-1.001，已经非常趋近于-1，也就是我们常见的反比例函数。

通过对比表3中的实际测量值可以进一步发现，透气率P和通气阻力ΔP之间的乘积值W基本在4700～5800之间波动，30组数据乘积值的平均值为5268.6，与拟合方程的常数系数非常接近，再次证明透气率与通气阻力之间存在反比例关联性。

本文发现对于二者乘积值的存在波动性较大且拟合曲线略微偏离反比例函数的原因主要来自以下两个方面：一是样品自身均匀性带来的影响，主要体现在口罩中间层为熔喷布材质，其独特的毛细结构具有随机性和不确定性；二是不同厂家采用不同种类的非织造材料，以及织造工艺间的差异，导致织物样品的纤维密度、细度以及孔隙率等均有不同[9]，从而引起乘积值的波动以及拟合曲线的偏差。

综合以上分析，透气率和通气阻力之间的反比例关系是证明存在的，但在不同材质的样品间二者数据的乘积值会存在差异，需通过增大样本量进行测试，并综合考量样品内和样品间各因素的影响，待后续进一步研究和验证。而在实际检测应用中可以通过二者乘积值的近似常数对透气率和通气阻力值进行相互换算，即若已知标准测试条件下的透气率，可以估算出相应条件下的通气阻力，反之亦然。

3 结论

本文分别对医用口罩的透气率和通气阻力（压力差）两个舒适性指标进行性能测试，并分析二者之间可能存在的关联性，得出如下结论：

（1）对于同类型同批次口罩，透气率与通气阻力两个性能指标的数值呈反比例关系，二者之间的乘积值为定值。

（2）不同类型的口罩，透气率与通气阻力之间的乘积值有所不同，实际应用时可取近似常数进行估算。

（3）透气率与通气阻力值之间的换算具有较好的实际应用意义，通过该两项性能指标间的强关联性，能够为口罩生产企业快速筛选原材料，评估产品性能提供一定的技术参考。