口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺設計

張茜

（沈陽紫微恒檢測設備有限公司，沈陽110144）

0 引言

自2019年12月新冠肺炎（COVID-19）爆發以來，截至2020年7月31日，全球累計確診病例16 812 755人，死亡6 662 095人[1]。雖然新冠肺炎具有高度的傳染性，并可以通過飛沫和氣溶膠感染，但只要正確佩戴口罩，新型冠狀病毒感染的風險就可以大大降低。口罩可以有效地阻擋含病毒的飛沫核，防止佩戴者吸入并感染。隨著疫情的持續加重，口罩的市場需求量飛速增加，甚至出現了一“罩”難求的局面，導致口罩生產產業鏈迅速膨脹，據國家發展改革委2020年2月27日宣布：全國口罩日產能達到7285萬只，日產量達到7619萬只[2]。在產量迅速提高的同時，口罩的質量把控也顯得尤為重要，為此國家質檢總局于2020年2月13日出臺了《市場監管總局等八部門關于開展打擊整治非法制售口罩等防護產品專項行動的緊急通知》[3]的文件，對口罩質量提出了嚴格要求并進行嚴格監管。

口罩鹽性顆粒物過濾效率是評判口罩質量的重要指標。根據國內外相關文獻的實驗數據，飛沫是一種非油性顆粒物，直徑0.5～20.0 μm的飛沫會懸浮在空氣中并被易感人群吸入，因此預防新型冠狀病毒感染的口罩必須能有效阻擋直徑在0.5 μm以上的非油性顆粒物，才能起到防護作用[4]。如何判斷口罩對于新冠病毒的防護作用，這就需要專業的測試設備對口罩的非油性顆粒物即鹽性顆粒物的過濾效率進行測試，得出科學結論。

迫于疫情的持續蔓延和口罩的大量生產，因此當務之急需要盡快研制出既能達到國內的相關口罩標準，而且成本相對較低，又有較高測試準確度的口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺，進而滿足市場急需，為疫情防控工作提供有力的技術支撐。

1 設備簡介及技術參數

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺主要用于測試口罩鹽性顆粒物的過濾效率試驗和口罩的氣流阻力試驗。試驗臺為操作臺與控制系統集成一體機，整體外殼采用鈑金噴塑箱體，箱體下部有腳輪可進行移動和調整，壓縮空氣管路及零部件均采用耐腐蝕材料。上位機采用一體式計算機，軟件程序基于VC平臺開發，實時顯示當前設備的流量、壓差、溫濕度和顆粒物濃度等參數。在進行數據設定后，口罩自動進行裝夾，設備自動進行試驗，流量和顆粒物濃度自動進行調節，試驗結束后自動計算過濾效率。而且試驗數據可進行儲存、導出和歷史查詢。根據國內口罩相關標準[5-9]的試驗參數對照表如表1所示。由此確定試驗臺的設計技術參數為：鹽性顆粒物類型為NaCl，鹽性顆粒物溶液配比為2% 的NaCl溶液。顆粒物濃度范圍為12～30 mg/m3，計數中位徑（0.075±0.020）μm，粒度分布的幾何偏差不超過1.86，質量中值粒徑（0.24±0.06）μm。氣體流量測試范圍為15～100 L/min，準確度為±2% F.S。壓力傳感器量程為0～1000 Pa，準確度±0.5% F.S。顆粒物數據采集誤差范圍為±5%。鹽性顆粒物過濾效率測量范圍為0～99.999%。外形尺寸為0.9 m×0.88 m×1.51 m。供電為交流220 V，功率為1.5 kW。

表1 口罩相關標準中鹽性顆粒物過濾效率試驗參數對照表

2 系統組成

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺系統原理如圖1所示。

圖1 口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺系統原理圖

考慮到設備后期維護的便捷性，該系統采用正壓形式，動力源為空壓機。壓縮空氣經過濾減壓閥減壓和初級除水過濾后，進入精密過濾器進行三級過濾，最高過濾精度達到0.05 μm。壓縮空氣管路安裝電解點壓力表，實時監控主壓縮空氣管路內部氣壓。經過精密過濾器過濾后的壓縮空氣分為3路：第一路為潔凈壓縮空氣，經過主氣路電氣比例閥，根據流量與壓差之間的關系，通過控制氣壓從而控制流量；第二路為鹽性顆粒物發生氣路，經過顆粒物發生氣路電氣比例閥調節壓力來控制鹽性顆粒物的發生濃度，在顆粒物發生氣路電氣比例閥與顆粒物發生器之間安裝單向閥，防止由于清潔管路的壓縮空氣壓力過高發生溶液反流，對閥門造成損壞；第三路為氣缸動力氣源，通過氣缸電磁閥控制夾緊氣缸對口罩夾具實現開閉，對試驗用口罩進行裝夾。口罩夾具采用碗式結構，下部固定，上部加緊，氣流通過有效面積100 cm2，滿足相關標準要求。

第一路的潔凈空氣與第二路的鹽性顆粒物混合空氣在混合器進行均勻混合后進入口罩夾具上部，經過試驗用口罩后，通過下部的噴嘴排出。排出端采用顆粒計數器對排出空氣的鹽性顆粒物進行采集，從而計算口罩的過濾效率。其中試驗件壓差傳感器用于采集試驗用口罩在設定流量下的氣流阻力。流量計用壓差傳感器用于采集噴嘴兩端的壓差，經過計算可得出當前的體積流量。設備外觀圖如圖2所示。

3 測試原理

試驗臺采用顆粒計數器對鹽性顆粒的計數濃度進行采集，過濾效率可通過對未放置試驗用口罩前的顆粒物濃度和放置口罩后的顆粒物濃度進行采集并計算得出：

圖2 設備外觀圖

式中：η為鹽性顆粒物的過濾效率，%；C1為未放置試驗用口罩前的顆粒物計數濃度，顆/cm3；C2為放置試驗用口罩后的顆粒物計數濃度，顆/cm3。

4 設計重點

從口罩相關標準中對鹽性過濾效率試驗的試驗參數可知，要實現過濾效率的測試的真實性，必須保證鹽性顆粒物的發生粒徑范圍滿足標準要求。

鹽性顆粒物氣溶膠發生分為很多種方式，但壓縮空氣噴射法相對簡單易行，便于維護，且發生的顆粒物濃度較高。該試驗臺的鹽性顆粒物發生器采用Laskin噴嘴形式。Laskin噴嘴是一種結構形式相對簡單的噴嘴，但能發生高濃度多分散亞微米氣溶膠粒子[10]，試驗臺鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴如圖3所示。

采用壓縮空氣通過Laskin 噴嘴發生器對2%的NaCl溶液進行噴射，發生出鹽性顆粒物氣溶膠。并用美國TSI 公司生產的SMPS-3936型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀，對發生粒徑進行掃描，NaCl顆粒物粒徑分布圖譜如圖4所示，根據圖譜計算結果如表2所示。

圖3 鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴

圖4 NaCl顆粒物粒徑分布圖譜

綜上所述，該試驗臺的鹽性顆粒物發生器發生的NaCl顆粒物粒徑分布滿足標準要求。

5 控制及電氣系統設計

控制系統是試驗臺的數據采集和處理的控制中心，由計算機、電氣附件及控制軟件組成。計算機形式為觸摸式一體機，操作系統為WIN10中文版，計算機內置開關量控制卡和模擬量控制卡，該部分是控制系統的核心。電氣附件主要由斷路器、接觸器、保護器和繼電器等組成，該部分是控制系統的執行單元。控制軟件基于VC軟件平臺編寫，界面通俗易懂，操作簡單，可實時監控當前設備的流量、壓差等參數。軟件還可以對工作參數進行設定，可根據設定的試驗方法自動進行試驗，并且存儲試驗數據，該部分為控制系統的人機交互界面，軟件界面如圖5所示。

表2 NaCl顆粒物粒徑分布測試與標準對照表

圖5 軟件界面

6 試驗對比

采用鹽性顆粒物過濾效率試驗臺與美國TSI公司生產的8130型濾料試驗臺分別對同一批次、同一種類、同一時間下線的日常防護口罩、醫用防護口罩、醫用外科口罩和雙層熔噴布的鹽性顆粒物過濾效率進行測試，對測試數據進行分析，判斷試驗臺之間測試數據的偏差值。

試驗在標準要求的溫濕度環境下進行，每種口罩分別取3組樣品在2臺設備上進行測試，NaCl顆粒物過濾效率數據對照表如表3所示。

從結果可以得出該試驗臺與美國TSI公司生產的8130型濾料試驗臺的鹽性顆粒物過濾效率測試值偏差小于1%。

7 結語

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗臺的設計，為口罩的質量保證提供了必要的技術檢測手段。在與TSI 8130 試驗臺對比數據表明，該試驗臺運行穩定，數據穩定可靠，且設備成本相對較低，在技術上為疫情防控工作提供了有力的支持。

表3 NaCl顆粒物過濾效率對照表 %