口罩帶的佩戴張力對口罩泄漏性的影響研究

1 引言

隨著2020年新冠肺炎疫情的暴發，人們對口罩的關注度明顯上升，口罩的需求量大幅增加。而口罩防護效果的好壞，除了人們比較關注的口罩熔噴布的過濾效率，還有一個非常重要不可忽視的指標就是口罩的泄漏性。可是許多生產企業卻忽略了這一關鍵性指標，并且在測試中也發現口罩的總泄漏率達標率很低。

總泄漏率是指人們在具有一定濃度的環境中，泄漏到佩戴口罩內部的顆粒物濃度與口罩外面顆粒物濃度的百分比，比值越低，防護效果越好。口罩總泄漏率的大小與口罩材料的過濾效率、口罩帶的佩戴張力、口罩佩戴時的密合程度[1]等均有影響。

本論文通過對不同過濾效率的折疊型口罩，在不同佩戴張力的情況下，測試口罩的總泄漏率，通過總泄漏率的結果來說明佩戴張力對泄漏性能的影響，從而給口罩生產企業提供口罩設計的依據，給消費者選購、佩戴口罩時提供指導意見。

2 試驗

2.1 泄漏率測試方法

目前國內測試泄漏性能的最新方法為GB 2626—2019《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》[2]，該方法是在顆粒物測試真人倉里，選擇10名受試者，并需考慮到臉型和性別的不同，測試受試者吸氣時從包括過濾元件在內的所有面罩部件泄漏入面罩內的模擬劑的濃度與呼吸器面罩外測試環境中模擬劑濃度的比值，得到總泄漏率的結果。采用NaCl顆粒物檢測時，總泄漏率（TIL）計算公式如下：

C——被測面罩內顆粒物濃度，mg/m3；

Ca——被測面罩內顆粒物本底濃度，mg/m3；

C0——檢測倉內顆粒物濃度，mg/m3；

1.7 ——修正系數，對受試者呼吸道吸收顆粒物導致呼吸器面罩內顆粒濃度降低所做的修正。

2.2 試驗設計

本論文主要研究的是口罩帶張力對泄漏性的影響，所以忽略不同臉型佩戴時口罩與皮膚的貼合程度影響，參考GB 2626—2019《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，選擇男、女兩名成年受試者分別佩戴不同過濾效率材質的口罩，每種口罩測試通過原樣佩戴，以及通過可調整張力的裝置，使佩戴張力分別為5N、10N、15N、20N、25N的條件下，測試口罩的總泄漏率。

選用的模擬劑為NaCl顆粒物，設置大倉內的濃度為6mg/m3，測試過程中保證倉內有效空間的濃度變化不高于10%[2]，受試者進入倉內后保持頭部靜止，儀器開始測試，采集口罩內外部的顆粒物濃度數據，120s后停止采集。在120s的數據采集過程中，舍棄測試過程中前段，分別在40s、60s、80s、100s、120s時采集受試者佩戴口罩的內外部顆粒物濃度并計算5個時間點總泄漏率（計算公式如2.1所述），并將這5個時間點的總泄漏率平均值作為本次試驗的最終結果。根據此測試過程依次完成原樣佩戴，以及佩戴張力為5N、10N、15N、20N、25N條件下的總泄漏率的測試。

2.3 測試樣品及受試者

目前市場上較為常見的一次性口罩有折疊型和平面型兩種，對于普通的日常防護，一般的一次性平面型口罩完全滿足日常的防護，但是對于顆粒物更為密集的地方需要更好的防護措施，對口罩泄漏性的要求也就更高，而平面口罩的密封性較差，所以選擇市場上較為常見的明示為KN95的6種隨棄式折疊型口罩，按照GB 2626—2019《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》[2]標準分別測試其鹽性過濾效率，并選擇男、女兩名成年受試者參加測試，其中男性面深113mm、女性面深95mm。測試樣品規格介紹如表1所示。

2.4 測試儀器

口罩佩戴可調整張力的裝置介紹：為了使左右耳帶的佩戴張力一致，自行設計了一個定滑輪簡易裝置。定滑輪安裝在固定支架上，支架牢固安裝在安全帽上。通過調整張力繩來調整口罩帶的張力值。

圖1 調整張力的裝置

3 結果與討論

男、女兩名受試者原樣佩戴時的力值，如表2所示。

表2 受試者原樣佩戴張力值

通過對男、女兩名受試者在不同張力下佩戴的總泄漏率測試，試驗所得數據分別做了不同口罩帶佩戴張力下總泄漏率圖，如圖2和圖3所示。

圖2 不同口罩帶佩戴張力下的總泄漏率（男受試者）

圖3 不同口罩帶佩戴張力下的總泄漏率（女受試者）

通過圖2、圖3可以看出，無論是男受試者還是女受試者，隨著口罩帶張力值的逐漸增大，口罩的總泄漏率均有所下降，并在15N趨于平緩，特別是3#、4#、5#、6#樣品，在15N時總泄漏率均達到8%以下，這說明口罩帶的佩戴張力對泄漏性的影響效果顯著。從圖2中可以看到，1#、3#、5#、6#樣品佩戴張力為5N時總泄漏率低于原樣，圖3的5#樣品也出現這種情況，這是因為受試者在佩戴時原樣的口罩帶張力大于5N，表3也充分說明了此點。

從圖2、圖3中也可以看到，雖然6#樣品的過濾效率最高，但是在同樣的佩戴張力值為5N時，總泄漏率反而比過濾效率比它低很多的2#樣品和3#樣品高很多，可能是由于2#樣品和3#樣品口罩此時有比較好的密合性，這也說明并不是口罩的過濾效率高，口罩的泄漏性就好，此時口罩的貼膚密合性起主導作用。隨著口罩帶張力的逐漸增加，3#、4#、5#、6#樣品口罩總泄漏率急速下降，而1#、2#樣品雖在張力影響下有所下降，但是在15N后基本趨于穩定，下降空間微小，這說明在達到一定張力時，口罩的密合性已經非常好，而此時影響口罩泄漏性的主導因素就變為口罩過濾元件的過濾效率，所以雖然口罩的泄漏性是可以通過增加口罩帶的張力而有所改善，但是也不能忽視口罩過濾效率的影響。

其次從圖中也可以非常明顯地看到，在口罩帶張力為15N時，過濾效率為90%以上的口罩，其總泄漏率均已達到了比較低的數值，當繼續增加力值時，對泄漏性的改善已經不明顯，并且考慮到佩戴時佩戴者的舒適性，建議選擇口罩帶張力為15N。同時通過表3的受試者佩戴原樣的張力值也可以看到，6種口罩的原樣佩戴力值均小于15N。而且本論文選擇的這幾款口罩的耳帶不可調節，由于男性的面深比女性的數值大，導致同樣的口罩男性佩戴張力大于女性，而佩戴張力大時，相應的總泄漏率數值較小，防護效果更好。通過這個情況，建議口罩生產者考慮佩戴者的不同來設置不同的型號以便不同年齡人群都有合適的佩戴張力。

另外，我們通過數據分析可以看出，口罩泄漏率的影響因素還有口罩材料的顆粒物過濾效率、口罩佩戴時與人臉的貼合性、佩戴張力等，其中口罩佩戴時與人臉的貼合性并未在試驗中進行驗證，有待完善。

4 結論

通過對男、女兩名受試者分別佩戴不同過濾效率材質的口罩，并對口罩施加5N、10 N、15 N、20 N、25 N的張力來測試總泄漏率得出如下結論：

（1）口罩帶的張力對泄漏性的影響不容小視，但也不是張力越大越好，要考慮到佩戴時的舒適性，選擇15N最佳；

（2）改善口罩的泄漏性，除了考慮口罩帶的張力，在選用口罩原材料時也應考慮材料的貼膚性，以便能使口罩與皮膚有更好的密合；

（3）在口罩過濾元件的選擇上，盡量選擇過濾效率高的材料。

綜合以上結論，希望可以給口罩生產企業提供口罩設計的依據，給消費者選購和佩戴口罩時提供指導意見。