防護口罩佩戴時間對過濾性能的影響

錢 幺 ,梁世華 ,楊先鵬 ,張珍竹 ,王 靜

(1.五邑大學 紡織材料與工程學院,廣東 江門 529020;2.佛山中紡聯檢驗技術服務有限公司,廣東 佛山 528211)

隨著新冠病毒疫情在全球的不斷擴散,口罩迅速成為人們日常必備的防疫物資,其需求量相比以往有爆發式的增長。在日常出行中,佩戴口罩已經成為一種生活習慣和應當遵守的規范,但長期佩戴口罩所帶來的悶熱、不透氣、眼鏡鏡片霧化等困擾一直存在,特別是在炎熱的季節,大多數人只能通過間歇性摘下口罩來緩解不適,這樣勢必會降低防護效果。因此,關于口罩綜合性能的改良、口罩的防護效果以及佩戴舒適性的相關研究也變得尤為重要。通常,防護口罩都有一定的使用壽命(即可連續佩戴的時間),理論上超過一定的使用時間,口罩的防護效果將會下降甚至失效。可能有三個方面原因:一是過濾效率下降,主要是由于口罩的過濾核心層在于中間的駐極熔噴層,使用過程中的呼吸、空氣環境濕度會影響纖維的電荷量,電荷衰減會降低過濾效率和抗菌效果[1];二是呼吸阻力增加,由于長時間佩戴口罩,唾液和呼出氣體的水分殘留在口罩內層,造成透氣性下降,讓人產生悶氣的感覺[2-3];另一方面是口罩受顆粒物、細菌甚至病毒的污染,但除了在特殊的高濃度粉塵環境中使用之外,顆粒在口罩中的負載量通常很小,基本不會因為顆粒物的負載而導致口罩失效,反而主要是空氣中的細菌、病毒等沉降在口罩外層,導致口罩污染,因而無法繼續使用。圍繞人體佩戴口罩的不同情況,設置相關應用場景進行試驗,通過測試分析口罩過濾效率的變化,找到口罩佩戴時間對過濾性能的影響規律,為口罩防護性能評估研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料

一次性醫用防護口罩(細菌過濾效率≥95%,廣東金優貝健康用品有限公司);純棉、黏膠水刺非織造布(浙江金三發集團有限公司)。

1.2 儀器

CP224C數字式電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司);TSI8130 濾料測試臺(美國TSI公司);YG(B)216-II型織物透濕量儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。

1.3 測試方法

試驗選取相同年齡段(20～25歲)的男性、女性分別進行試驗,佩戴口罩人群的活動狀態分為“靜坐”和“走動”兩種狀態;口罩佩戴時間分別為0(初始)、2、3、4 h。對不同活動狀態、不同佩戴時間下的口罩試樣進行過濾性能測試,采用TSI8130濾料測試臺進行測試,過濾用氣溶膠為鹽性顆粒物,測試氣體流量為32 L/min,測試面積為100 cm2。在防護口罩內側添加不同種類的水刺非織造布作為舒適層,測試口罩佩戴2 h后的過濾性能變化以及吸濕率和透濕量變化,其中,吸濕率通過稱量口罩佩戴前后的重量變化計算得到;透濕量通過采用蒸發法經過透濕杯(溫度38 ℃,濕度50%)測試得到[4]。

2 結果和分析

2.1 佩戴時間對防護口罩過濾性能的影響

圖1為相同活動狀態下平面口罩佩戴不同時間后的過濾性能變化情況,對比初始狀態(0 h)時的過濾阻力和過濾效率可以看出,隨著時間的變化,口罩的過濾阻力發生很小的波動變化,可認為未發生變化;但對微細顆粒物的過濾效率的測試可看到,佩戴1 h后口罩的過濾效率會有明顯下降,2 h 之后繼續延長佩戴時間,過濾效率緩慢降低,從測量誤差上看并不明顯,近似為不變,原因可能是剛開始口罩材料由干態接觸到呼吸過程中的水蒸氣,靜電吸附作用受到影響,到一定時間后,口罩材料的吸濕達到飽和,水分對過濾效率的影響逐漸減小;佩戴4 h后的過濾效率仍然在99.0%以上,表明過濾效率雖然有所降低,但仍能對顆粒物有較高的過濾效果。

圖1 防護口罩佩戴時間對過濾性能的影響

2.2 活動狀態對過濾性能的影響

圖2為不同活動狀態下防護口罩佩戴2 h后的過濾性能變化情況,對比初始狀態下的過濾阻力和過濾效率可以看出,無論是靜坐2 h還是走動2 h后,口罩的過濾阻力幾乎不會發生變化;但是,通過對微細顆粒物的過濾效率精密測試可看到,佩戴2 h后口罩的過濾效率會有小幅下降,且走動狀態的下降略微多一點,盡管從數值上來看有一點下降,但不是十分明顯,過濾效率仍然在99.4%以上,并不影響過濾效果。

圖2 不同活動狀態下佩戴2 h后防護口罩的過濾性能

2.3 舒適層添加對防護口罩過濾性能的影響

圖3為相同活動狀態下添加不同舒適層的防護口罩在佩戴2 h后的過濾性能變化情況,對比不添加舒適層(未添加)的口罩2 h后的過濾阻力和過濾效率可以看出,添加不同舒適層的防護口罩在佩戴2 h后的過濾效率明顯高于未添加的口罩,原因可能是舒適層也有一定的過濾效果,增加了過濾效率;而佩戴2 h后,舒適層由于吸收不同程度的水分,加上自身對空氣的阻隔,導致過濾阻力有略微上升,其中添加60 g/m2黏膠水刺布的過濾阻力增加較為明顯,添加40 g/m2純棉水刺布的過濾阻力較未添加的幾乎不變。

圖3 添加不同舒適層佩戴2 h后防護口罩的過濾性能

圖4反映了添加40 g/m2純棉水刺布舒適層后防護口罩佩戴時間對過濾性能的影響。由圖4可以明顯看出,隨著時間的變化,口罩的過濾阻力有很小波動變化,可近似為未發生變化。但通過過濾效率的數據可看到與圖2有類似的規律,佩戴1 h后口罩的過濾效率明顯下降,繼續延長佩戴時間,過濾效率發生波動性緩慢降低,從測量誤差上看并不明顯,佩戴4 h后的過濾效率仍然在99.2%以上。與圖2中的過濾效率相比,添加舒適層能夠在一定程度上緩解過濾效率的下降速度。

圖4 添加純棉40舒適層后防護口罩佩戴時間對過濾性能的影響

2.4 舒適層添加對防護口罩吸濕、透濕性能的影響

表1為添加不同舒適層的防護口罩在佩戴2 h后的吸濕重量變化以及1 h透濕量,對比可以看出,不添加舒適層(無處理)的口罩2 h的吸濕率僅為4.60%,而添加純棉或黏膠水刺非織造布舒適層的口罩,吸濕率明顯提高,并且加黏膠水刺非織造布后口罩的吸濕率高于加純棉水刺非織造布的口罩,這是由于黏膠的回潮率高于棉纖維,黏膠吸濕性更好;此外,所加黏膠水刺非織造布的克重也對吸濕率有明顯影響,克重為60 g/m2水刺布的吸濕率要高于40 g/m2水刺布。通過對比透濕量變化,可以看出,添加不同舒適層后對透濕量也有一定提升作用,其中加純棉水刺非織造布的透濕量提升更明顯,表明純棉水刺非織造布能夠加快水蒸氣的傳導。

表1 添加不同舒適層的防護口罩的吸濕與透濕性能

3 結論

(1)受呼吸過程中水蒸氣的影響,佩戴過程中口罩過濾效率剛開始會出現一定下降,但隨著時間的推移,過濾效率幾乎不變;佩戴4 h后的口罩仍能對0.3μm顆粒物有99.0%以上的較高過濾效率。

(2)防護口罩中增加一層水刺非織造布作為舒適層,在一定程度上還能提高過濾性能,減緩過濾效率的降低速度。

(3)防護口罩中添加不同舒適層后對吸濕率和透濕率也有不同程度的提升作用,加黏膠水刺非織造布后口罩的吸濕率較高,加純棉水刺非織造布的透濕量提升更明顯。