供氣流速對口罩死腔測試結果的影響

馬 玲，黃楊，沈悅明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200040）

0 引言

隨著新冠疫情的出現，口罩成為人們日常生活和工作中隨身佩戴的防護用品。口罩的過濾等級越高，說明其過濾效果越好。然而，在保證口罩具有較好過濾效果的同時，還要注意使其具有比較好的通氣阻力，這樣人們佩戴此類口罩的時候才會感覺舒適，因而對口罩死腔性能的測試就顯得尤其重要。死腔是指呼出的二氧化碳被再次吸入呼吸道內，不能參與氣體交換的體積。因此，死腔性能差，可能導致被吸入的二氧化碳氣體濃度高，產生呼吸不順，甚至窒息的危險[1]。

口罩作為一種簡單的面罩，按結構可分為隨棄式面罩、可更換式半面罩和全面罩，人們日常佩戴的口罩大多數屬于隨棄式面罩。為了研究二氧化碳的供氣流速對口罩死腔性能的影響，本文主要對在不同的二氧化碳供氣流速下死腔的測試結果進行分析。

1 試驗

1.1 測試原理

參照GB 2626—2019《呼吸防護 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》（以下簡稱GB 2626）6.9條款中的死腔要求進行，所用口罩死腔測試儀詳見圖1。通過計算吸入二氧化碳的體積分數與環境中二氧化碳的體積分數的差值，評估呼吸系統的使用安全性。

圖1 口罩死腔測試儀

測試時，實驗室溫度需控制在16～32 ℃，呼吸模擬器的呼吸頻率和潮氣量分別設定為20 次/min和1.5 L，保持室內通風，并使得檢測環境中二氧化碳的體積分數≤0.1%，同時注意環境中二氧化碳含量的檢測點應在被測樣品的正前方約1 m 處。檢測時，在測試樣品的側面放置一個小風扇，以保證氣流在面罩面前產生的流速為0.5 m/s。打開儀器，同時設置好二氧化碳的供氣流速，以密閉的方式在頭模上戴好口罩，連續檢測吸入二氧化碳氣體和環境中的二氧化碳體積分數，直至穩定。當環境中的二氧化碳體積分數≤0.1%時，測試才是有效的[2-3]。結果用吸入氣體中的二氧化碳體積分數減去檢測環境中的二氧化碳體積分數的差值表示[4]。一般隨棄式面罩測試時，3個樣品各測試1次，而全面罩和半面罩均采取每個樣品測試3 次的方法，并取3 個測試值的平均值為測試結果。當二氧化碳的測試結果小于1%，結果才是合格的[5]。

1.2 試樣

GB 2626 適用于過濾式口罩，且將口罩的過濾級別分為KN90、KN95、KN100。因此，試驗選用的口罩為3M KN95、3M KN90、3M KN100 3種類別，均為隨棄式半面罩。對每個口罩的死腔均測試3次，結果取平均值。

1.3 供氣流速

GB 2626 標準中未明確規定合適的供氣流速，因此在允許的供氣流速范圍內，對隨棄式半面罩3M KN95、3M KN90 和3M KN100 口罩的死腔進行測試時，將供氣流速分別設置為4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.8、1.5、1.2、1.0、0.8 mm/s。

2 結果與討論

2.1 供氣流速對隨棄式半面罩口罩死腔測試結果的影響

供氣流速對三類規格的隨棄式半面罩口罩死腔的測試結果詳見表1～表3。

表1 不同供氣流速對隨棄式半面罩3M KN95口罩死腔測試結果的影響

表2 不同供氣流速對隨棄式半面罩3M KN90口罩死腔測試結果的影響

表3 不同供氣流速對隨棄式半面罩3M KN100口罩死腔測試結果的影響

由表1可知，供氣流速對3M KN95口罩死腔的測試結果影響較大：隨著供氣流速的增加，死腔的測試結果變大；供氣流速較大的時候，死腔的測試結果差異性較大，且死腔的測試結果隨著供氣流速的減小逐漸趨于穩定。當供氣流速為4.0 mm/s時，死腔測試結果為4.657%，變異系數為43.189%；當供氣流速為0.8 mm/s 時，死腔的測試結果為0.833%，變異系數僅為0.263%。這說明供氣流速越大，死腔的測試結果越不穩定，存在的差異性較大；當調低供氣流速至較小值后，結果趨于穩定，存在的差異性也較小。可見，供氣流速越小，死腔測試結果曲線越趨于穩定。

由表2可知，供氣流速對3M KN90口罩死腔的測試結果影響也較大，且死腔的測試結果隨著供氣流速的減小而逐漸趨于穩定。當供氣流速為4.0 mm/s時，死腔測試結果為4.564%，變異系數為43.447%；當供氣流速為0.8 mm/s 時，死腔測試結果為0.733%，變異系數僅為0.430%。可見，供氣流速越小，死腔測試結果曲線越趨于穩定。

由表3 可知，供氣流速對3M KN100 口罩死腔測試結果的影響同樣較大：供氣流速大，死腔的測試結果大，供氣流速減小，死腔的測試結果小；供氣流速較大時，同一試樣死腔的測試結果存在的差異性也較大，隨著供氣流速的減小，死腔的測試結果逐漸趨于穩定。當供氣流速為4.0 mm/s時，死腔測試結果為3.311%，變異系數為29.416%；當供氣流速為0.8 mm/s 時，死腔測試結果為0.580%，變異系數僅為0.460%。

由此可見，供氣流速對三類口罩死腔測試結果的影響非常相似，即：供氣流速大，死腔測試結果大，且3 次所測結果存在的差異性也大；當供氣流速較小時，死腔測試結果變小，且逐漸趨于穩定。

2.2 實驗室的比對

由于國家強制性標準GB 2626 對死腔測試結果的修約沒有具體規定，因此不同實驗室之間對死腔測試結果的可能修約數值不同。表4列出了4家實驗室對三類口罩死腔測試的結果，其中4#為本實驗室所測結果。

表4 實驗室間口罩死腔測試結果比對 %

由表4 可知：4 家實驗室對口罩死腔測試的結果差異不大。當供氣流速設置過大時，所得測試結果存在較大的差異，因而不具可比性。因此，為了獲得穩定的測試結果，在供氣流速的設置對死腔測試結果影響較大的前提下，在測試過程中應適當降低供氣流速。

經過比對測試，4家實驗室一致認為，將供氣流速設置為0.8～1.0 mm/s較為合理。

3 結論

（1）供氣流速對不同過濾類型的口罩死腔測試結果的影響較大，因此設置合適的供氣流速對測試結果非常重要。降低供氣流速可使測試結果逐漸趨于穩定，將供氣流速設置為0.8 mm/s時可獲得穩定的測試結果。不同的設備需要對供氣流速進行調試，以保證實驗結果的準確性。

（2）供氣流速增大，使得二氧化碳氣體分布不勻，尤其是排出速率可能低于供氣速率，會導致測試結果偏高；供氣流速降低，能夠使二氧化碳氣體充分排出，避免管道內的二氧化碳氣體影響最終試驗結果，提高試驗結果的均勻性與準確性。

（3）由于國家強制標準GB 2626 中沒有對供氣流速有著具體規定，當測試所用儀器設備不同時，應在測試前進行相關調試。