口罩綜合性能測試裝置的研制

摘要：為了進一步提高口罩生產設備的智能化和自動化水平，根據口罩綜合性能測試裝置的研制需求，提出了能夠同時用于過濾效率和氣流阻力測試的便攜式口罩測試裝置的設計思路，對裝置的結構、工作流程進行了分析。從口罩生產設備的智能化測試結果以及裝置的性能測試結果來看，其能夠滿足口罩綜合性能的檢測需求。

關鍵詞：口罩;綜合性能;測試裝置;設計思路

0 引言

2020年突如其來的疫情，使得人們紛紛開始佩戴口罩。口罩生產企業的日產量劇增，但口罩的性能全檢能力跟不上，導致口罩質量無法實現百分百可控。同時，市面上的口罩類型多樣，單純依靠實驗室抽樣檢測或人工檢測均難以保證口罩防護性能達標，也不能滿足市場供應需求，由此產生的漏檢、缺檢、逃檢問題，讓民眾的身體健康得不到有效保障。因此，亟需研發口罩綜合性能測試裝置，突破口罩檢測裝置的關鍵技術，實現隨機并實時進行口罩的全性能檢測，能夠嚴格管控口罩質量，為保證口罩質量的提升提供強有力的技術支撐。

1 口罩綜合性能測試裝置的研制思路

1.1? ? 口罩測試需求

在口罩性能測試方面，需要對氣流阻力、過濾效率等指標進行測試。測試過濾效率，可以確認口罩使用的濾料對有害物的濾除效果，如N95口罩過濾效率至少達到95%，屬于1級，合格產品需要保證過濾效率指標測試達到要求。對過濾效率進行測試，能夠反映口罩的佩戴舒適性，未能達到標準值將會造成佩戴者呼吸困難，甚至引發嚴重不適的情況[1]。如果氣流阻力過小，將損害口罩過濾效果。

目前市面上的口罩類型、數量較多，想要保證口罩能夠較好地發揮防護作用，還要加強口罩性能測試。而多數用于口罩性能測試的裝置體積較大，適合在實驗室或醫療機構中使用，難以滿足企業、檢測機構乃至普通消費者的使用需求。部分便攜式口罩測試裝置則只能進行幾種口罩過濾性能測試，無法進行氣流阻力等指標測試，同樣無法滿足口罩檢測需求。因此應研制攜帶方便、功能豐富的口罩綜合性能測試裝置。

1.2? ? 裝置測試原理

結合裝置研制需求，所設計的口罩綜合性能測試裝置原理如圖1所示。利用頭部模型，能夠對使用口罩的實際工況進行模擬，裝置吸氣、呼氣過程接近人工呼吸，能夠對口罩與面部的閉合性進行測試，最終測得PM2.5去除效果和口罩氣流阻力。將口罩固定在頭部模型上后，可以將真空泵打開，并將流量計調節到指定流速位置。利用粒子計數器，能夠對經過濾后的顆粒物濃度進行測試，確定口罩過濾效率。由于整個測試環境接近真實大氣環境，并非對某種顆粒物進行模擬，因此測得的數據可以準確反映口罩過濾效率。從測試原理上來看，在流量確定的空氣通過過濾材料后，計算口罩兩側顆粒物數量和內部顆粒物數量比值，可以得到口罩過濾效率[2]。總管路上設置壓差計，對呼吸、吸氣時的壓差進行測量，能夠確定口罩氣流阻力。通過對氣體流量進行調節，能夠測試不同呼吸強度和頻率下的口罩氣流阻力。

2 口罩綜合性能測試裝置研制方法

2.1? ? 裝置結構設計

實際在裝置開發階段，需要做好各部分結構選擇，確保裝置功能可以順利實現。在頭部模型設計上，可以采用光滑皮質材料和鋼材進行固定裝置的設計，裝置內部采用鋼架構，頭部外形和開口采用皮質材料，按照《中國成年人頭型系列》要求進行制作。在模型內部設置連接硅膠管，采用180°筆直延伸連接方式，以免管路扭曲造成測試結構不準。在各部件連接上，還應選用彈力、回彈性較好的膠管，采用接口套疊方式連接，確保接口位置密封良好。采用的測試儀用于對顆粒物濃度進行測試，可以采用PostaCount測試儀，采用計數法對口罩兩側和內外空氣顆粒物濃度進行測試。采用的流量計為LZT-15T浮子流量計，屬于面板式儀器，在流體自下而上流過錐孔時，浮子上下將會有壓差產生，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時，能夠根據流量與浮子高度比例關系進行流量測試。采用的計數器為DT-9880型，屬于四合一計數器，其不僅可以濃度模式進行測量，也可對6種粒徑通道進行測量，最小可達到0.3 μm的檢測直徑，分辨率能夠達到1 μg/m3。抽氣泵為HG-120旋渦氣泵，最大能夠達到36 m3/h的氣流量，可以吸氣或吹氣。選擇的各種儀器結構緊湊、質量輕，使得研制出的口罩綜合性能測試裝置總體質量較輕，能夠滿足攜帶需求，為裝置使用提供便利。

2.2? ? 裝置工作流程

從裝置工作流程上來看，使用該裝置進行口罩綜合性能測試，需要先將口罩佩戴在頭部模型上，對人體正常佩戴口罩時的口罩閉合程度進行模擬。啟動抽氣泵模擬人呼吸，利用單向閥對吸氣和呼氣時的氣體流向進行控制。調整氣體流量，能夠對人體平靜、輕微運動、激烈運動等不同狀態下的呼吸狀態進行模擬。在測試過程中，壓差表能夠記錄管路壓力值，測試儀可以完成空氣顆粒物濃度檢測。流量計用于檢測氣體流量，根據顯示的數值將流量調節至指定數值后，可以抽氣1 min，然后呼氣1 min。測試期間，考慮到氣體流量將給口罩過濾性能帶來影響，還要合理設定氣體流量。在中等體力勞動中，人體呼吸量在30 L/min左右，呼吸狀態呈正弦曲線變化，最高呼吸速度能夠達到平均速度的3倍左右，約94 L/min。參考國際上的檢測規定，可以將標準檢測流量設定為85 L/min。在實際測試過程中，對不同狀態下的人體呼吸狀態進行模擬，可以分別使氣體流量達到30 L/min、85 L/min和94 L/min。計數器可以對被測內外環境中的顆粒物濃度進行測定，通過內外環境連接管使粉塵顆粒到達計數器，檢測得到的結果可以用于計算口罩的過濾效率。

2.3? ? 裝置功能測試

為了確定裝置是否能夠用于口罩綜合性能測試，選取了醫療機構使用量較大的5種口罩進行測試，包含N95型杯狀口罩、拱形綁帶N95口罩、折疊型N95醫用口罩、KN95口罩、一次性醫用口罩。

從過濾效率測試結果來看，N95口罩均能達到95%以上的過濾效率，在氣體流量提升至94 L/min時依然可以達到97.1%的過濾效率，因此能夠達到相關標準要求。KN95口罩和醫用口罩在30 L/min條件下過濾效率分別可以達到99.7%和95.2%;在氣體流量提升至85 L/min后，分別達到96.1%和79.4%;在氣體流量提升至94 L/min后，分別達到94.7%和62.5%。由此可見，過濾效率最好的是N95口罩，其次為KN95口罩，一次性醫用口罩只能用于日常防護。

從氣流阻力測試結果來看，N95口罩測試結果在185～218 Pa，KN95和一次性醫用口罩氣流阻力分別為168 Pa和110 Pa，均能夠滿足標準要求。相比較而言，綁帶口罩氣流阻力最大，因為頭部綁帶使得口罩與面部緊固貼合，同時拱形口罩邊緣經過密封處理，密合性較高。相較于立體杯罩，折疊型口罩經過平滑處理，與面部貼合較好，因此氣流阻力稍大。

3 結語

綜上所述，通過合理設計口罩綜合性能測試裝置，可使裝置體積小、重量輕，并可同時用于開展過濾效率和氣流阻力測試，該裝置適用于各種環境下及各種口罩的性能檢測。在疫情嚴峻或常態化防疫的情況下，口罩需求量大增，該裝置的使用能夠有效保證口罩的防護性，具有較好的應用前景。

[參考文獻]

[1] 李莎，王賽，牛梅，等.納米銀抗菌防霧霾口罩的設計與性能測試研究[J].化工新型材料，2019，47（2）：247-251.

[2] 潘宇楓.關于新型口罩過濾性能的測試分析[J].科技風，2018（30）：13.

[3] 張柯，胡凌飛，靳愛軍，等.五種防護口罩的面形密合度定量測試比較[J].中國醫藥生物技術，2018，13（2）：117-122.

收稿日期：2020-06-02

作者簡介：曾俊福（1978—），男，廣東揭西人，工程師，主要從事項目研發工作。