口罩過濾效率檢測用顆粒物粒徑的換算和標準比對

楊小兵， 程 鈞， 張守鑫， 姚 紅， 陸 林， 丁松濤

(1. 軍事科學院防化研究院 國民核生化災害防護國家重點實驗室， 北京 100191； 2. 霧霾健康效應與防護北京市重點實驗室， 北京 100191； 3. 中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司， 湖北 武漢 430081； 4. 3M中國有限公司， 北京 100176)

在生活及工作場所中，防顆粒物呼吸器或防塵口罩用于粉塵、煙塵、霧或霧霾等各種在空氣中懸浮的顆粒物的呼吸防護，減少呼吸性粉塵在肺臟內的沉積，實現預防塵肺病或減小顆粒物對人體的傷害的目的[1]。此次爆發的新型冠狀病毒肺炎，從病毒傳染途徑的本質上來講，是病毒負載在顆粒物上，通過飛沫或氣溶膠的形式傳播而導致了疾病的擴散[2]，因此，其防護的核心在于顆粒物防護。只有切實做好顆粒物防護，才能真正保障廣大人民群眾的身體健康和生命安全。

顆粒物防護中，防護材料或口罩的過濾效率是核心的技術指標，因此，各國的呼吸器標準中通常會用具有代表性的顆粒物模擬呼吸性粉塵，即采用最易穿透防護材料的顆粒物，測試呼吸器產品的過濾效率[3]。GBZ 2.1—2007 《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分:化學有害因素》規定，呼吸性粉塵是指空氣動力學粒徑(da)小于7.07 μm的顆粒物，然而da并不是顯微鏡下觀察到的顆粒物的物理直徑。為正確理解顆粒物粒徑的相關概念，正確、科學評價防顆粒物呼吸器(通常稱為防塵口罩、口罩)的過濾效率，本文詳細介紹了顆粒物粒徑的描述方法，不同顆粒物粒徑的換算方法，對比分析了國內外主流防顆粒物口罩標準中過濾效率測試所用顆粒物尺寸，結合顆粒物粒徑的換算探討了煤礦粉塵防護口罩標準中過濾效率檢測方法存在的不足，并對口罩典型材料的過濾效率與阻力進行測試與討論。

1 顆粒物粒徑的描述方法

對顆粒物大小的描述，通常以粒徑及其分布來表述。顆粒物的粒徑(dp)及其分布，不是為了區分單個粉塵或微粒的大小，而是對一個“群體”的顆粒物粒徑分布進行規范的描述。無論是懸浮在空氣中的粉塵，還是能進入呼吸道乃至肺臟內的微粒，或是根據標準要求，特別為過濾效率測試而制備的顆粒物，都是由不同粒徑的微粒組成，粒徑的大小分布往往呈現一種偏的拖長尾的狀態，長尾位于大顆粒一側，典型的顆粒物粒徑分布[4]如圖1所示。

圖1 典型的顆粒物粒徑分布Fig.1 Typical particle size distribution

顆粒物的來源不同，質地不同，發生的方法不同，或存在于不同的場所，其粒徑分布都會發生變化，甚至同一區域的顆粒物在不同時間、不同溫濕度條件下粒徑分布都會發生變化，逐一識別和測量很困難。然而大量研究表明，觀察到的顆粒物的粒徑分布與其對數正態分布很吻合，而用對數正態分布就可在數學上方便地處理粒徑分布問題[4]。

根據正態分布規律，均值和中位數是相同的。對圖1中的dp取對數后，lndp會呈正態分布，如圖2 所示。那么其幾何均值(exp(a))所對應的就是dp的中位數。假如圖1中的縱坐標代表各個粒度下顆粒的數量，即計數的分布，就可以用圖1中的幾何均值，獲得計數中位徑(CMD)，比CMD大的顆粒占總數量的一半，比之小的占另一半。幾何標準偏差exp(σ)描述的是顆粒物分布的離散性，即其他粒徑顆粒的數量偏離CMD的距離，幾何標準偏差越大，分布越顯得分散，即圖1中的長尾會越長。

圖2 取對數后的顆粒物粒徑分布 Fig.2 Particle size distribution after logarithm

所有的防塵或防顆粒物呼吸器產品的標準，都會選擇具體尺寸大小的顆粒物來評價過濾效率。在GB 2626—2006《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中，對測試非油性顆粒物(KN)過濾元件的氯化鈉(NaCl)顆粒物和測試油性顆粒物類(KP)的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)顆粒物的粒徑有如下規定。NaCl顆粒：CMD為(0.075±0.020) μm，粒度分布的幾何標準偏差(GSD)不大于1.86；DOP顆粒： CMD為(0.185±0.020) μm，粒度分布的GSD不大于1.60。

2 顆粒物粒徑的換算方法

CMD是顆粒物的物理直徑，不是空氣動力學粒徑(da)。da通常定義為當一個微粒在靜止空氣中的沉降速度等于某個球形、密度為1 000 kg/m3的顆粒(即水霧滴)時，其da就是該水霧滴的球直徑。斯托克斯等效球徑(ds)也是一個與之相關的概念，易與da混淆。ds是一個與不規則顆粒具有相同密度和沉降速度的球形顆粒的直徑[4]。不規則微粒的物理直徑與ds和da的關系如圖3所示?？梢钥闯?，微粒密度和形狀都會影響沉降速度，因此，將物理直徑換算為da時，要考慮這2個因素的影響，在換算過程中形狀的影響體現為形狀系數。而使用da的意義在于da相同的顆粒物在呼吸道內有相同的沉降部位，在過濾時過濾效率也一樣；面對現實中的顆粒防護，并不需要知道其實際的形狀、密度和大小，只要知道其da即可。

圖3 不規則微粒的物理直徑和ds、da的關系Fig.3 Relationship between physical diameter of irregular particles with ds and da

將CMD換算為da需要2步。第1步，用式(1)將CMD先換算為質量中位徑(MMD)，也就是將圖1中的縱坐標從數量分數轉換為質量分數，因為測試過濾效率時只計算顆粒物的質量濃度(g/m3)，而非數量濃度(個/m3)[4]。

MMD=CMDexp(3ln2σg)

(1)

式中：σg為CMD的幾何標準偏差，也是質量分布下的幾何標準偏差，這是符合對數正態分布的一個特點。將GB 2626—2006中對應的參數代入式(1)得到：

MMDNaCl=(0.075±0.020)exp(3ln21.86)=

(0.175～0.302) μm

MMDDOP=(0.185±0.020)exp(3ln21.60)=

(0.320～0.398) μm

第2步，用式(2)將MMD換算成da，即空氣動力學質量中位徑(MMAD)[5]：

(2)

從式(2)可以看到，密度ρ和形狀系數χ都在發揮作用。其中水的密度ρ0為1 000 kg/m3，NaCl的密度ρ為2 200 kg/m3，DOP的密度為985 kg/m3；微粒越接近球形(如液態DOP顆粒)，χ越接近于1，NaCl近似立方體，則χ為1.08[4]。將這些參數代入式(2)可得：

換算結果顯示，NaCl和DOP的MMAD值均比較接近0.3 μm，納米級的CMD換算到da，數值就提高了近一個數量級。按照空氣動力學粒徑da來衡量，在質量分布中，占總質量一半的微粒的da大于0.3 μm，另一半小于0.3 μm。空氣動力學粒徑(da) 為0.3 μm的顆粒物，也稱之為最具有穿透性的顆粒物粒徑(MPPS)[5]。研究證明，在不同過濾機制作用下，各類過濾材料均對某個粒徑范圍的微粒呈現最低效率，即MPPS對各類過濾材料的穿透力最強。雖然隨著過濾材料種類和過濾面速度的不同，MPPS會有一些變動，但通常都會非常接近0.3 μm[3, 5-6]。 這就是防顆粒物呼吸器使用0.3 μm顆粒物測試過濾效率的由來。可以看出，采用MPPS測試過濾效率的好處是，只要實驗室測試過濾材料對MPPS的過濾效率達到某個水平(如95%)，就能預測其在實際使用時的過濾效率不會低于該水平，使產品選用重點可集中在GB/T 18664—2002 《呼吸防護用品的選擇、使用與維護》中規定的面罩密合和使用方法方面。所以，世界范圍內絕大多數國家的防顆粒物呼吸器標準中，都使用MMPS測試產品的過濾效率，具體情況如表1所示。

3 對煤礦粉塵防護適用性的爭論

關于符合GB 2626—2006的產品是否適合煤礦粉塵防護的爭論，是從2010年前后開始的，有代表性的是2011年發表的文章[7]認為：從職業衛生學上來說，7 μm以上的粉塵對人體不構成危害；0.3 μm 以下的粉塵由于質量輕，不易沉降，在人的呼吸氣流帶上，隨著人的呼吸運動進去出來，對人體危害也不

表1 世界各國防顆粒物呼吸器標準中過濾效率測試用顆粒物特性統計Tab.1 Statistics of particle specification used for particle filter efficiency test in worldwide standards

大；而1～5 μm的粉塵對人危害最大，吸入后不易排出體外，防塵口罩重點是要防這類致病粉塵?，F行的強制性國家標準GB 2626—2006中將呼吸防護用品的防護范圍由粉塵擴大到粉塵、煙、霧和微生物等，是對職業有害因素的全面考慮，但由于粉塵、煙、霧和微生物屬性不同，用一個標準包含全部，針對性不強。該認識最終導致一些新的針對某類作業場所粉塵的防塵口罩標準的出臺，如DB 52/T 743—2012 《金屬冶煉行業 自吸過濾式防塵口罩》等，其中最有代表性的是AQ 1114—2014《煤礦自吸過濾式防塵口罩》。

AQ 1114—2014起草者解讀標準[8]如下：該標準中過濾效率的檢測采用雙塵試驗方法，檢測介質采用實體塵，即煤塵和矽塵，二者的質量比為1∶1。其中煤塵采用煤質程度較高且危害較大的無煙煤塵，其中游離SiO2含量小于10%，真密度為(1 400～1 600) kg/m3，計數中位徑(CMD)為(1.3±0.2) μm， 粒度分布的幾何標準偏差不大于2.20。矽塵采用游離SiO2，SiO2含量大于或等于95%，真密度為(2 300～2 600) kg/m3，計數中位徑(CMD)為(1.3 ±0.2) μm，粒度分布的幾何標準偏差不大于2.20。以上粒度符合煤礦作業場所煤塵和矽塵的實際分布特征。

AQ 1114—2014同樣使用CMD和幾何標準偏差來定義粉塵的粒度分布，因此，可利用式(1)、(2)將測試粉塵的CMD換算為MMAD，其中煤塵的形狀系數χ可取(1.05～1.11)，SiO2的χ取1.36[4]，則

MMD煤塵、矽塵=(1.3±0.2)exp(3ln22.2)=

(7.10～9.68) μm

MMAD煤塵=(7.10～9.68)×

(7.98～12.0) μm

MMAD矽塵=(7.10～9.68)×

(9.2～13.4) μm

換算結果顯示，表面上AQ 1114—2014雖然選擇了微米級的粉塵來測試過濾效率，一旦換算成da，數值增加了一個數量級，中位徑就已超出呼吸性粉塵的上限，如圖4所示。經過上述計算得出的AQ 1114—2014 的粉塵粒徑分布，是與標準解讀中對呼吸性粉塵代表性的有關說明，和標準適用于煤礦行業防御呼吸性煤塵和矽塵防護的規定不相符，說明如果對顆粒粒徑概念的理解或應用錯誤，就會產生巨大的偏差。

圖4 AQ 1114—2014用于測試防塵口罩過濾效率的粉塵粒徑分布示意圖Fig.4 Dust particle size distribution diagram used by AQ 1114—2014 to test filter efficiency of dust mask

呼吸性粉塵在呼吸道內不同區域(包括鼻、喉、氣管、支氣管和肺臟)的沉積特點是不同的。在大氣環境中的極小微粒，由于沉降距離大，確實難以沉降，但如果進入肺組織內部，沉降距離就被大大縮短，小微粒也容易沉降。國際輻射防護委員會(ICRP)建立的模型顯示，在肺泡內沉降的微粒有2.5和0.1 μm 這2個粒徑峰值，而0.1 μm粒徑的沉降率會更高[4,9]。我國分析粉塵粒度的標準方法在GBZ/T 192.3—2007 《工作場所空氣中粉塵測定 第3部分：粉塵分散度》中明確規定為光學顯微鏡法，受分辨率限制，光學顯微鏡下1 μm以下的粉塵是觀察不到的[10]，這使許多人誤以為粉塵都是大于1 μm的顆粒，但在掃描電鏡下能觀察到更微小的粉塵[11]，且顯微鏡下測出的粒徑與da有本質區別。

粉塵質量與粒徑的三次方成正比[4]，1顆10 μm 粉塵可抵得上1 000顆1 μm或100萬顆0.1 μm 微粒的質量，因此，用粗粉塵測試防塵口罩過濾效率易得到高效率的結果，但現實中遇到細小微粒，過濾效率會明顯下降，失去安全保障。AQ 1114—2014 選擇有代表性的粉塵來測試效率，是一個陳舊的思路，技術上早已落伍，因為要制備足夠微小的粉塵，難度很大，測試中粉塵易黏結，很難均勻分散，方法準確性大打折扣，無法有效區分產品質量，且把高濃度的高毒粉塵(高純度游離二氧化硅粉塵)用于實驗室測試，會存在健康隱患。隨著氣溶膠的產生和實時測試技術的飛速發展，目前世界各國都在使用這種測試技術和方法用于呼吸防護用品過濾效率測試[12]，隨著GB 2626—2006的實施，這種方法早已在我國得到普及。

4 口罩材料過濾效率試驗評估

新型冠狀病毒顆粒呈圓形或橢圓形，直徑在60～140 nm， 由于病毒無法獨立存在，其傳播途徑以呼吸道飛沫和密切接觸傳播為主。在相對封閉的環境中，長時間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在經氣溶膠傳播的可能[2]。一般而言，病毒附著在飛沫上進行傳播，大于10 μm的飛沫多數會通過重力沉降飄落，直徑低于10 μm的顆粒物以氣溶膠的形式存在于空氣中。為有效避免疫情的傳播，保護醫護人員和廣大公眾的人身健康與生命安全，一次性醫用口罩、醫用外科口罩、醫用防護口罩以及顆粒物防護口罩應用廣泛。從全國各地抽調援助湖北的4萬多醫護人員無一例感染，充分體現了個人防護裝備作為保護人體健康最后一道防線的重大意義，尤其是作為呼吸防護裝備——口罩的主要作用就是阻斷病毒入侵呼吸系統，意義和作用重大。

口罩發揮其重要的防護功能，主要體現在總泄漏率和過濾效率2個技術指標上。在核心技術指標過濾效率的測試中，GB 2626—2006和GB 19083—2010《醫用防護口罩技術要求》均采用MMAD為0.3 μm左右、最易穿透粒徑的顆粒物來進行評價，對于粒徑小于0.3 μm的冠狀病毒，實際應用場景中的過濾效率會大于標準條件下測試所得的過濾效率?？谡诌^濾性能的優劣主要取決于口罩中間的關鍵防護材料駐極熔噴非織造布。駐極熔噴非織造布是口罩中間的過濾層，可過濾細菌、病毒等病原微生物，阻止其傳播，是以高熔融指數的高分子聚丙烯為材料，紡制成纖維以隨機方向層疊而成的膜，纖維直徑范圍為0.5～10 μm，大約有頭發絲直徑的三十分之一[13]。當帶有病毒的飛沫顆粒物與熔噴非織造布纖維接觸后，主要通過攔截效應、慣性沉積、擴散效應、重力效應和靜電效應5種機制實現對病毒顆粒物的過濾。影響纖維材料過濾效率的主要因素有4個：顆粒物粒徑、空氣流速、過濾材料纖維直徑和空隙率。一般而言，纖維直徑越小，填充越均勻、越緊密，過濾的粒子直徑越小，過濾效率越高，但阻力越大，過濾效率與纖維直徑的關系如圖5[14]所示。

圖5 過濾效率與纖維直徑的關系Fig.5 Relation between filter efficiency and fiber diameter

考慮到目前市場上多數口罩，尤其是醫用外科口罩，為提高過濾效率采取多層疊加或增加濾料厚度的方式進行加工生產。為此，本文選取一種參加國際多家實驗室比對試驗的過濾材料，以疊加的方式，按照GB 2626—2006中6.3規定，采用油性顆粒物DOP考察了不同過濾材料層數對過濾效率、阻力的影響，試驗結果如表2所示。

表2 口罩材料疊加層數對過濾效率、阻力的影響Tab.2 Effects of different layers filtering materials on filter efficiency and air resistance

結合表2測試結果和圖5可以看出，采用同樣的過濾材料，增加其纖維疊加厚度或層數，可提高材料的過濾效率。同樣地，在同樣的厚度情況下，增加過濾材料的面密度，減小過濾材料的空隙率也能夠提高過濾材料的過濾效率，但其阻力通常會增大[15]。如表2所示，采用該類過濾材料在5層疊合使用時，過濾效率能夠滿足GB 2626—2006 KP90過濾材料的要求，6層疊合使用時才能滿足GB 2626—2006 KP95過濾材料的要求，過濾效率要滿足GB 2626—2006 KP100要求，則需要疊合15層使用。雖然滿足了過濾效率的要求，但所有的使用方式都無法滿足GB 2626—2006對口罩產品的阻力要求，因此，制備質量合格的口罩核心過濾材料駐極熔噴非織造布，如何平衡其過濾效率與阻力是需要重點突破的科研方向，這也是目前多數新投產熔噴非織造布生產企業需要解決的重要技術難題之一。

5 結束語

解決煤礦塵肺病高發和新冠病毒個人防護用品正確使用的問題，均是我國職業衛生工作的重點任務，但必須認清問題的本質。首要因素仍是許多高危接塵作業場所，如煤礦作業場所、新冠病毒重癥監護病房等普遍缺乏有效工程控制，高危顆粒物濃度持續偏高，呼吸防護無法單獨起效，可導致口罩壽命明顯縮短，更談不上任何佩戴的舒適性[12]。這些問題在這次新冠疫情醫護人員防護口罩的選配和使用過程中體現更為突出。尤其是作為顆粒物防護的醫用防護口罩，實際上在顆粒物防護呼吸器系列產品中，只是最低級別的防護手段?？梢钥闯?，無論是管理者、廣大公眾，還是醫護人員，在呼吸防護用品的選擇、使用方面上對相關科學知識的了解存在不足或誤區。尋求問題解決的出路，首先要理清基本的科學概念，正本清源，而不能混淆基本概念，選擇錯誤的防護材料、技術或產品，會導致嚴重的后果，這應被充分認識和糾正。通過本文介紹的顆粒物粒徑分布的概念及有關的換算方法，供專業技術人員應用，避免標準的誤讀和誤用，這對于科學驗證過濾效率測試用顆粒物的代表性，深入理解不同技術的適用性，提高不同標準之間的可比性，都具有重要的意義。此外，通過分析過濾材料結構特性與其過濾效率、阻力之間的相互影響，為口罩核心過濾材料熔噴非織造布將來的科研方向提供了參考性建議。

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