密合状态对平面口罩防护效果测试的影响*

何 军 路正辉 严繁晃 王 敏 沈 燕

1. 福建省纤维检验中心，福建 福州 350026； 2. 福建省纺织产品检测技术重点实验室，福建 福州 350026；

2022年初，德尔塔、奥密克戎等新型冠状病毒变异毒株的传染性再次增强，它们极易直接或间接导致感染。佩戴口罩能有效提升个体防护能力，阻断病毒传播链条，这点已在全世界形成共识。

近年，有关防护口罩的研究主要集中在被过滤颗粒物的粒径与分布[1-2]、滤材与口罩的类型[3]、佩戴的舒适性[4]、相对湿度与泄漏率[5-6]、佩戴的适合性[7-8]及检测的标准[9-11]等方面，这些都为了解口罩的防护性能及其影响因素提供了重要的科学依据，然而有关平面口罩防护效果检测方面的研究还是偏少。自疫情暴发以来，随着口罩等防疫物资需求的剧增，国家加强了对产品质量安全风险的监测力度，已连续3年将非医用口罩列入重点监管目录。据有关统计[12]，2020—2021年，非医用口罩产品的送检、抽检结果并不乐观，如防护效果检验不合格率从2020年的31.48%上升到了2021年的41.07%，非医用口罩的关键指标不合格率居高不下，令人担忧。此外，还存在“口罩的过滤效率好，防护效果就好”“口罩过滤效率检验合格，防护效果肯定合格”等观念，将防护效果寄托于产品本身，混淆了过滤效率与防护效果两个概念，并忽略了使用者口罩佩戴过程的密合性、规范性与环境适用性，既片面又不科学。鉴于此，为探究平面口罩防护效果检验合格率偏低的原因，纠正疫情防控中不科学的观念与认识，本文从质量检验的角度出发，尝试采用橡胶泥对试样进行半密合、全密合预处理，分析检测试验中试样的密合状态对防护效果的影响，以期为口罩企业改进生产工艺、提高产品质量提供技术参考。

1 试验

1.1 测试方法

过滤效率测试与防护效果测试的环境条件、NaCl气溶胶颗粒物过滤效率检测系统、防护效果检测装置、测试仓、浓度监测仪、呼吸模拟器与头模等的参数设置均参照GB/T 32610—2016[13]。测试介质为NaCl气溶胶颗粒物，配置NaCl溶液质量分数为1.5%～1.7%。

过滤效率(F,%)计算式：

F=(η0-η)/η0×100%

(1)

式中：η0——夹具上腔内NaCl气溶胶颗粒物的质量浓度，mg/m3；

η——夹具下腔内NaCl气溶胶颗粒物的质量浓度，mg/m3。

防护效果(P,%)计算式：

P=(C1-C2+C0)/C1×100%

(2)

式中：C1——测试过程中，测试仓内NaCl气溶胶颗粒物的质量浓度，mg/m3；

C2——测试过程中，头模呼吸腔内NaCl气溶胶颗粒物的质量浓度，mg/m3；

C0——测试前，待测试仓稳定后，试样内部颗粒物的本底质量浓度，mg/m3。

1.2 仪器设备

青岛众瑞ZR-1006型口罩颗粒物过滤效率及气流阻力测试仪(图1)，配置有NaCl气溶胶发生器。多普勒口罩防护效果测试仪(图2)，配置有TOPAS ATM230气溶胶发生器、Thermo气溶胶监测仪、男性标准头模。

图1 ZR-1006型口罩颗粒物过滤效率及气流阻力测试仪

图2 口罩防护效果测试仪

1.3 试样的选择与试验方案

选取20组(n=20)不同品牌、不同过滤等级且具有代表性的平面口罩试样，每组6个试样(其中，3个试样用于测试过滤效率，3个试样用于测试防护效果)。试样与试验方案见表1，其中未密合测试是指展平试样褶皱后，将试样佩戴在头模上，使用中等力度按压口罩四周(包括鼻梁、两颊与下颚)，使试样与头模面部自然贴合，测试试样的防护效果(图3)；半密合测试是指展平试样褶皱后，利用橡胶泥密封试样的上沿与头模鼻梁两侧的缝隙，测试试样的防护效果(图4)；全密合测试是指展平试样褶皱后，利用橡胶泥密封试样四周与头模面部包括鼻梁、两颊与下颚的缝隙，测试试样的防护效果(图5)。测试用头模为成年男性标准头模。

图3 未密合测试

图4 半密合测试

图5 全密合测试

试样的调湿与测试均在温度为(25±5)℃、相对湿度为(30±10)%的恒温恒湿环境中进行。

2 结果与讨论

2.1 过滤效率与防护效果的测试结果

以每组3个试样各测试45 s内的过滤效率最小值的平均值作为过滤效率测试结果。

GB/T 32610—2016中，防护效果测试结果取测试1 h内获得的防护效果最小值，而本试验为了较深入地分析试样密合状态对防护效果测试结果的影响，取1 h内试样每分钟防护效果数值的平均值作为防护效果测试结果。

表2对20组试样的过滤效率与防护效果的测试结果进行了归纳，其中：Pw、Pb、Pq分别表示试样测试1 h内未密合状态时、半密合状态时、全密合状态时的防护效果的平均值；Pw，Min、Pb，Min、Pq，Min分别表示试样测试1 h内未密合状态时、半密合状态时、全密合状态时防护效果的最小值；Pw，Max、Pb，Max、Pq，Max分别表示试样测试1 h内未密合状态时、半密合状态时、全密合状态时防护效果的最大值。

表2 试样的过滤效率与防护效果的测试结果 单位：%

2.2 过滤效率与防护效果之间的相关性

GB/T 32610—2016规定，平面口罩对NaCl气溶胶颗粒物过滤效率的最低要求为Ⅲ级(F≥90.0%)，防护效果的最低要求为D级(P≥65.0%)。由表2可知，20组试样中，过滤效率合格(F≥90.0%)的有10组，其中试样未密合时防护效果测试不合格(Pw<65.0%)的有6组，分别为第11、14、15、16、17、18组。

利用EXCEL(Microsoft Office Professional Plus 2013)中函数CORREL对表2中试样未密合时测得的防护效果数据进行分析，得到防护效果与过滤效率的相关系数(r)，具体见表3。以|r|<0.400表示弱相关为判断标准，表3中试样在未密合状态时的防护效果与过滤效率总体表现出弱相关性。可见，平面口罩的过滤效率不能决定其防护效果。

表3 试样在未密合状态时测得防护效果与过滤效率的相关性

过滤效率能较准确地反映口罩罩体滤除颗粒物的能力，而防护效果不能完全反映口罩罩体阻隔颗粒物的能力，其还与口罩边封结构设计、鼻梁条的塑形性及口罩佩戴的密合状态等有关。试验中，未密合状态的口罩试样与头模之间尤其是在鼻梁处、脸颊处不同程度地存在一些缝隙(图6)，这会导致测试中气溶胶颗粒物的泄漏，罩体防护性能下降或失效，最终导致平面口罩防护效果的检测结果合格率偏低。

图6 鼻梁处和脸颊处的缝隙

此外，试验用头模的设计与型号也会对防护效果的测试结果产生影响。不同厂家在头模尺寸(如鼻高、鼻深、两耳屏间宽等)、部位形态与位置(如耳朵、鼻子等)，以及材质(如品种与硬度)等设计方面存在差异(图7)。此外，头模有大、中、小等型号(图8)。测试时，各实验室一般根据试样大小选定头模，其中成人口罩与儿童口罩较容易区分，但男性口罩与女性口罩选择头模时方式并不统一。这些都会对防护效果的测试结果产生影响。

图7 不同厂家试验用头模

图8 不同型号的试验用头模

2.3 平面口罩密合状态对防护效果的影响

从表2可以看出，20组试样在全密合状态下的防护效果测试结果最大，半密合状态的次之，未密合状态的最小，即Pq>Pb>Pw。表4对密合预处理后试样防护效果的提升幅度即(Pb-Pw)、(Pq-Pw)和(Pq-Pb)进行了归纳。

表4 试样经密合预处理后防护效果的提升幅度 单位：%

从表4可以看出：试样经密合预处理后，20组试样的防护效果明显提升，全密合状态的防护效果较未密合状态的平均提升32.64%，半密合状态的防护效果较未密合状态的平均提升22.04%。可见，鼻梁处是平面口罩防护效果测试中颗粒物最容易泄漏的位置。防护效果测试前对试样进行密合预处理，提升平面口罩与头模间的密合性，可明显提高防护效果，这一结果与相关研究结论基本一致[14]。

2.4 平面口罩密合状态对防护效果测试稳定性与准确性的影响

防护效果测试过程中，质量浓度指标C1和C2的变化可以实时反映测试过程的稳定性。控制并尽量降低C1和C2的变化幅度，有利于降低异常值出现的概率和被报出的风险，提高测试过程的稳定性，这对确保检测结果的准确与可靠非常有帮助。

表5 20组试样在3种密合状态下的防护效果极差 单位：%

未密合状态测试中，试样边沿尤其是鼻梁处会在吸呼气的气压作用下造成泄漏，过滤作用减弱，进入头模呼吸腔内颗粒物的质量浓度C2迅速增加，气流紊乱且流速加快，同时在C1波动的叠加影响下，所得防护效果数据的最大偏差达到最大，即极差ΔPw最大。

全密合状态测试中，试样边沿与头模面部贴合紧密，进入试样内部或头模呼吸腔内的气溶胶颗粒物质量浓度C2大幅减小且变化幅度小，气流稳定且流速均匀，故此时所得防护效果数据的最大偏差最小，即极差ΔPq最小。

3 结论

本文参照相关标准，对20组不同过滤等级的平面口罩在不同密合状态下进行了过滤效率和防护效果测试，发现在过滤效率合格(F≥90.0%)的10组试样中，未经密合时防护效果不合格(P<65.0%)的占6组，且未密合状态时试样的防护效果与过滤效率之间相关系数r=0.024，表明平面口罩的过滤效率不能决定其防护效果；利用橡胶泥对试样进行密合预处理后，所有试样的防护效果较未密合试样的有明显提升，其中全密合状态的防护效果较未密合状态的平均提升了32.64%，半密合状态的防护效果较未密合状态的平均提升了22.04%；试样经密合预处理后，防护效果数据极差ΔP减小，其中试样全密合状态的防护效果测试结果最稳定，准确性最高。

基于这一研究结果，可以得出：

(1)口罩的过滤效率是影响防护效果的关键指标，但两者并无显著相关性，防护效果具体还取决于口罩与面部间的密合状态。

(2)改善口罩与面部间的密合性，可以大幅提高口罩的防护效果，这也是防疫宣传工作中提出正确佩戴口罩的由来。

(3)口罩生产企业应在严格把控熔喷布原材料质量的同时，重点关注口罩结构设计的合理性，以及鼻梁条的定型效果。

(4)头模生产厂家在参考标准尺寸数据的同时，应注重开发适合中国人群面部特征的头模。

(5)测试仓内采样端口距离试样口鼻处的具体位置、口罩内颗粒物的本底质量浓度及测试仓容积大小等，现行标准中都没有明确的规定，但实际测试发现这些参数都会对防护效果测试结果产生一定的影响，故有待后续做进一步的探讨和研究。